Спектроскопия комбинационного рассеяния света слоистых полупроводниковых структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

' Г 5 0 3 2 9 М1Р 13ЯВ

На правах рукописи

ГАЙСЛЕР ВЛАДИМИР АНАТОЛЬЕВИЧ

СПЕКТРОСКОПИЯ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА СЛОИСТЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР

(специальность 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Новосибирск 1996

Работа выполнена в Институте физики полупроводников Сибирского отделения РАН

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор

Доктор физико-математических наук профессор

Доктор физико-математических наук профессор

Б.В.Новиков

В.К.Малиновский

М.К.Балакирев

Ведущая организация:

Институт Физики им.Л.В.Киренского СО РАН, г.Красноярск

Запита диссертации состоится "2<?" ма-Я 1996 г. в /5" часов на заседании Специализированного совета 3.003.05.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Институте физики полупроводников СО РАН ("630090, Новосибирск-90, проспект академика Лаврентьева, 13)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики полупроводников СО РАН

Автореферат разослан "/&" ¿Хъ^ЛПЯ 1996 г. Ученый секретарь Специализиро

доктор физико-математических

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы спектроскопия комбинационного рассеяния света (КРС) уверенно занимает одно из лидирующих положений среди прочих оптических методов в исследовании практически всех без исключения элементарных возбуждений в полупроводниковых кристаллах.

Процесс КРС на фононах, который осуществляется через возбужденные состояния электронной подсистемы кристалла, и итогом которого является ролвдение (или исчезновение) фонона и испускание кванта света, несет в себе ценную информацию о: 1) фононном спектре кристалла, 2) механизмах электрон-фононного взаимодействия, 3) механизмах фонон-фононного взаимодействия, исследования которых относятся к числу важнейших задач физики полупроводников. Наряду с изучением фундаментальных характеристик, спектроскопия КРС позволяет определять состав, структурные параметры полупроводниковых соединений, величины встроенных механических напряжений и ряд других характеристик, полезных для практики.

В этой связи, актуальность исследования методами КРС новых перспективных полупроводников не вызывает сомнений. Особую актуальность представляют исследования КРС в новых слоистых полупроводниковых соединениях, демонстрирующих большое многообразие типов фононов, вариантов фонон-фононного , электрон-фононного взаимодействия. К числу таких соединений относятся "искусственные" слоистые полупроводники: многослойные структуры с квантовыми ямами (МСКЯ) и полупроводниковые сверхрешетки (СР), где квантуются как электронные, так и колебательные возбуждения, а также и некоторые традиционные слоистые полупроводники с резко выраженной анизотропной структурой и, следовательно, большой анизотропией фононного спектра.

В данной работе проведено детальное исследование процессов КРС на фононах в ряде слоистых полупроводниковых соединений. Объектами исследования являлись МСКЯ и СР (ЗаД5-А1Аз и баАБ- 1пАб, представляющие наибольший научный и практический интерес в классе многослойных соединений системы А3!}5 и также Щ\г, который явля-

ется удобным модельным материалом в решении ряда задач физики фо-нонов слоистых соединений.

Исследование МСКЯ, СР' и других полупроводниковых структур пониженной размерности являются в настоящее время одним из наиболее актуальных направлений физики полупроводников. Значительный прогресс в этой области обусловлен развитием современных технологических методов роста многослойных полупроводниковых структур с контролируемой толщиной слоев на уровне единиц постоянных решетки и резкостью гетеропереходов на монослойном уровне. Появление таких структур открыло новое направление физики полупроводников, связанное с исследованием квантово-размерных эффектов, также как и новое направление в полупроводниковой микро- и оптоэлектронике.

Среди большого многообразия исследуемых и используемых в прикладных целях МСКЯ и СР следует выделить две системы, представляющих наибольший интерес в классе соединений А3В5; это структуры ОаАэ-А^ и ваАг-1пАз.

МСКЯ и СР 0аА5-А1АБ являются модельными как для значительного числа исследований эффектов размерного квантования, гак и для приборных разработок. Материалы ваАз и А1Аз имеют хорошо согласующиеся постоянные решеток и близкие коэффициенты теплового расширения, что позволяет получать МСКЯ, СР наиболее высокого качества. Постоянные решеток БаАя и 1пАз, напротив, значительно отличаются, параметр несоответствия решеток составляет 7_1?%. Система ваАБ-1пАб может быть отнесена к модельной при рассмотрении сильно напряженных СР и МСКЯ. Интерес к напряженным СР, ге-тероструктурам неуклонно возрастает, что обусловлено, в частности, рядом успешных приборных разработок. Именно две эти системы 0аАз-А1А5 и азАэ-1пАз были выбраны объектом исследования в диссертационной работе. К моменту начала работы электронный спектр баАБ-А^, С!аА5- 1пАб был изучен достаточно подробно, фонноный -в гораздо меньшей степени. Полностью отсутствовали данные о фо-нонном спектре СР БаАз-1пАб. Фононный спектр СР ЭаАз-А1Аз исследовался, в том числе и методом КРС, однако, ряд существенных, с нашей точки зрения, вопросов оставался неизученным. В частности, данные об эффектах локализации оптических фононов в слоях А1Аг были весьма немногочисленны и содержали противоречия. Отсутствовали данные о фононном спектре СР, содержащих сверхтонкие слои А1Аз, структур со спаренными квантовыми ямами ваАз, разделенные

тонкими барьерами А1Аэ. ' Эксперементально не исследовалось влияние электрических полей на процесс КРС, возможности спектроскопии КРС для определения структурных параметров • (толщин слоев, резкости гете'рограниц) не были изучены в достаточной степени.

Дииодид,ртути, являющийся представителем полупроводниковых соединений А2В7г, привлекает к себе пристальное внимание многих исследователей, что обусловлено рядом причин. Он является основой для создания эффективного неохлаждаемого детектора радиации. Исследования, непосредственно не примыкающие к разработке приборов на основе дииодида ртути, имеют самостоятельный интерес как с точки зрения поиска его новых применений, так и с точки зрения определения фундаментальных характеристик этого полупроводника. Причем, в ряде случаев эти исследования имеют большее значение, нежели определение электрофизических параметров конкретного нового материала. Они позволяют выявить закономерности, присущие широкому классу соединений. В этой связи достаточно упомянуть, что дииодид ртути был вторым после закиси меди материалом, где было обнаружено проявление экситона в оптических спектрах , в одном из первых, в дииодиде ртути были изучены закономерности проявления бизкситона и экситонного поляритона в спектрах люминисцен-ции. К моменту начала работы спектр электронных состояний дииодида ртути был изучен достаточно подробно, в то время как фонон-ный спектр был изучен сравнительно слабо. Литературные данные по вопросу классификации фононного спектра и выяснению характера межатомного взаимодействия в этом материале содержали неточности и противоречия, отсутствовали данные по ряду важных задач физики фононов: не были исследованы эффекты энгармонизма фононов в дииодиде ртути. Последняя задача представлялась нам весьма актуальной по той причине, что в слоистых полупроводниках эффекты энгармонизма фононов (в частности, механизмы релаксации колебательной энергии) практически не изучались. Дииодид ртути, демонстрирующий интенсивное КРС в широком интервале температур, является идеальным объектом для проведения такого рода исследований.

На основе вышеизложенного цель диссертационной работы была сформулирована следующим образом.

Цель работы заключалась в установлении основных закономерностей процесса КРС и исследовании фононного спектра, элект-рон-фононного и фонон-фононного взаимодействия в слоистых полупроводниковых соединениях, а также в разработке методов контроля структурных параметров с использованием данных КРС. Для достижения сформулированной цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследование процессов КРС в различных поляризационных геометриях и условиях возбуждения, расчет частот акустических и оптических фононов и сопоставление данных расчета с эксперемен-тальными значениями с целью классификации фононного спектра в слоистых полупроводниковых структурах.

2. Исследование резонансного комбинационного рассеяния света, -..влияния полевых возмущений с целью выяснения доминирующих в процессе КРС механизмов электрон-фононного взаимодействия и выяснения деталей этого взаимодействия.

3. Изучение влияния деформационных и температурных возмущений на процесс КРС для определения ангармонических параметров, выявления механизмов релаксации энергии колебательных возбуждений.

4. Исследование возможностей спектроскопии КРС для определения (уточнения) характеристик зкситонов, дисперсии фононов в исследуемых соединениях.

5. Расчет частот акустических и оптических фононов в МСКЯ и СР с учетом несовершенства гетерограниц с целью постановки метода бесконтактного и локального контроля структурных параметров СР на основании данных КРС.

Научная новизна и практическая ценность работы. Все основные эксперементальные и расчетные результаты диссертационной работы получены впервые.

Комплексный подход к вопросу классификации фононного спектра дииодида ртути (включающий температурные и поляризационные исследования, а также расчет частот фононов) позволил надежно интерпретировать особенности КРС, установить характер внутрислое-вого межатомного взаимодействия и определить величины зарядов ионов ртути и иода. Осуществлен всесторонний анализ проявлений эффектов энгармонизма, определены ангармонические параметры и установлены механизмы распада фононов, результаты обобщены для

широкого класса слоистых соединений. Проведен количественный анализ резонансных зависимостей, определена энергия связи и структура энергетических уровней экситона в дииодиде ртути.

Впервые исследованы эффекты локализации оптических и свертки акустических фононов в СР GaAs-InAs. Рассмотрение теоретических моделей, описывающих фононный спектр СР GaAs-InAs, позволило сделать вывод о возможности образования нового типа фононов: локализованного акустического фонона. Продемонстрирована возможность существования локализованных акустических фононов в ряде других СР. .

Исследование процесса КРС на локализованных в слоях AlAs сверхрешеток GaAs-AlAs позволило построить дисперсию фононов объемного AlAs и надежно подтвердить результаты микроскопического расчеты. Впервые исследование влияние электрического поля на процесс КРС в условиях резонанса. Изучены особенности рассеяния в СР со сверхтонкими слоями AlAs и структуру со спаренными квантовыми ямами, где обнаружено и интерпретировано нарушение правил, отбора, проявляющееся в одновременном присутствии четных и нечетных локализованных фононов в спектрах КРС.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в разработке локального, неразрушающего, бесконтактного метода контроля ряда важных структурных параметров СР (периода, толщин слоев материалов, образующих СР, толщин переходных слоев, механических напряжений) на основе данных КРС о частотах свернутых акустических и локализованных оптических фононов СР. Практическую ценность работы также составляет определение ангармонических параметров Грюнайзена и изохорических ангармонических параметров. Эти параметры могут использоваться при построении термодинамических моделей кристалла, что в свою очередь может способствовать лучшему пониманию процессов роста кристаллов, совершенствованию технологии роста.

Имеют самостоятельное практическое значение некоторые мето-дичекие разработки, осуществление которых расширяет возможности спектроскопии КРС в исследовании полупроводниковых структур. Создан импульсный лазер на красителе с широким диапазоном перестройки длин волн, используемый в экспериментах по резонансному КРС, разработан и создан Рамановский микрозонд, позволяющий проводить исследования КРС высоким пространственным разрешением.

Полученные в работе экспериментальные и расчетные результаты, сделанные на их основе выводы и обобщения, являются существенным вкладом в развитие методов спектроскопии КРС полупроводниковых структур, 'значительно расширяют существующие представления о динамике кристаллической решетки слоисто-периодических структур, а также являются основой локального, неразрушающего метода определения практически значимых параметров этих структур, перспективных для создания приборов современной микро-, нано- и опто-электроники.

Основные научные положения, представляемые к защите:

1. Установление основных закономерностей распада фононов в слоистых полупроводниковых материалах.

2. Возможность определения структуры энергетических уровней экситона на основании количественного анализа резонансных зависимостей сечения КРС в экситонной области спектра.

3.Предсказание существования локализованных акустических фононов в полупроводниковых СР. Формулировка необходимых и достаточных условии образования фононов данного типа.

4. Определение дисперсии фононов объемного полупроводникового материала на основании данных КРС о частотах фононов СР.

5. Метод определения набора структурных параметров СР, основанный на совместном рассмотрении экспериментальных данных КРС и результатов решения прямой и обратной спектральной задачи применительно к частотам акустических и оптических фононов СР.

Апробация работы. Результаты, включенные в диссертацию, были представлены на:

-Всесоюзном совещании по полупроводниковым детекторам (Киев, 1978)

- Всесоюзной конференции по автоматизации научных исследований (Новосибирск, 1979)

- Всесоюзном совещании по широкозонным материалам для полупроводниковых детекторов ядерного излучения (Новосибирск, 1980)

- VI Всесоюзной конференции по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок (Новосибирск, 1982)

- II Всесоюзном совещании по полупроводниковым детекторам ядерного излучения на широкозонных материалах (Новосибирск, 1983)

- III Всесоюзной конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния света (Душанбе, 1986)

- IV Всесоюзной конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния света (Ужгород, 1989)

- Всесоюзной Школе по физике поверхности (Махачкала, 1987)

- III Международном Симпозиуме по молекулярно-лучевой эпитаксии (Тырново, Болгария, 1989)

- XX Международной конференции по физике полупроводников (Салоники, Греция, 1990)

- V Международной конференции по сверхрешеткам и микроструктурам (Берлин, 1990)

- VI Международной школе "Новые физические проблемы в электронных материалах" (Варна,1990)

- XII'Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев, 1990)

- XIII Международной конференции по Рамановской спектроскопии (Вюрцбург, Германия, 1992)

- I Международной конференции по физике низкоразмерных структур (Черноголовка, 1993)

- Международной школе по фононэм в полупроводниковых наноструктурах (Испания, 1992)

- XIV Международной конференции по Рамановской спектроскопии (Гон-конг, 1994)

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

Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 354 страницы, включая 110 рисунков, список цитируемой литературы содержит 245 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена общая характеристика работы: рассматривается актуальность темы, формулируется цель работы, новизна результатов, их научное и практическое значение, формулируются защищаемые положения и приводится краткое содержание диссертации.

Первая глава является обзорной, составляющей основу дальнейшего рассмотрения. В ней излагаются элементы динамики кристаллической решетки применительно к слоистым материалам. Приводится классификация колебательных возбуждений по симметрии. Дается определение используемой терминологии и описание основных типов фононов в исследуемых соединениях: внутрислоевых и же'ст-кослоевых фононов, свернутых акустических, локализованных оптических и интерфейсных фононов. Анализируются основные характеристики фононов, механизм их образования. В главе рассматриваются: различные модели, описывающие динамику кристаллической решетки периодических структур. В рамках этих моделей обсуждаются основные особенности колебательного спектра СР, отличающие его от спектров объемных материалов. В низкочастотной области спектра фононные дисперсионные ветви материалов, составляющих СР всегда перекрываются, таким образом акустические фононы являются делокализованными. Наличие дополнительной периодичности в направлении нормально сдоям СР приводит к свертыванию ветвей дисперсии акустических фононов в пределах ыини-зоны Бриллюэна. Оптические фононы могут быть сильно локализованными в слоях одного материала и их спектр становится квантованным. В каждом слое формируется дискретный набор мод, частоты которых примерно

соответствуют частотам объемного материала с волновыми числами, равными гол/(с^ + Й), где гп - номер моды, - толщина слоя СР, 5 - параметр, описывающий проникновение фонона в соседние слои СР. Рассмотрение диэлектрических моделей предсказывает существование в СР, образованных полярными полупроводниками, колебательных возбуждений, получивших название "интерфейсные фононы", которые, по существу, являются оптическими фононами с составляющими волнового вектора вдоль плоскости гетерограниц. Отмечается, что введение понятия "интерфейсный фонон" не является обязательным для описания фононного спектра СР, однако, рассмотрение диэлектрических моделей, предсказывающих его существование, является простейшим вариантом анализа анизотропии частот оптических фононов СР.

В главе описываются также основные закономерности процесса комбинационного рассеяния света на фононах слоистых, слоисто-периодических полупроводниковых структур. В соответствии с задачами, поставленными в диссертационной работе, дается обзор теоретических данных, необходимых для: 1) определения симметрии колебаний по поляризационным зависимостям интенсивности КРС, 2) интерпретации экспериментов, в которых изучается влияние механических и температурных возмущений на основные параметры спектров КРС, с целью определения . ангармонических вкладов в частоту фононов, 3) установления механизмов релаксации колебательной энергии кристалла. Приводятся данные, используемые при интерпретации спектров КРС в условиях резонанса. Поляризационные правила отбора для процесса КРС в полупроводниковых СР иллюстрируются экспериментальными данными, полученными на СР различной ориентации.

Во второй главе приводится описание экспериментальных установок и отдельных блоков, используемых при проведении спектрального эксперимента. Специфика решаемых в работе экспериментальных задач привела к необходимости разработки ряда вопросов методики исследования КРС. Перестраиваемый импульсный лазер на красителе, накачиваемый мощным азотным лазером, использовался в экспериментах по резонансному КРС. Он был собран по схеме со скользящим падением луча на дифракционную решетку, которая выполняла функции телескопического и диспергирующего элементов

внутри резонатора. Отсутствие специальных телескопических элементов (размещение которых внутри резонатора резко снижает его добротность) позволило существенно увеличить эффективность и расширить диапазон генерации. При условии смены красителей достигался диапазон перестройки, перекрывающий всю видимую часть спектра.

В главе также приведено описание рамановского микрозонда, разработка которого позволила исследовать процесс КРС с пространственным разрешением на уровне 1.5 мкм.

Третья глава посвящена исследованию КPC в кристаллах Hgl-z-Дииодид ртути описывается пространственной группой D4h15, его элементарная ячейка содержит две формульные единицы, в соответствии с чем имеется 18 типов фононов. В Г-точке пространства волновых векторов фононы имеют симметрию:

Г = Aig- +2A2u +B2U +2Bie +3Ee +3EU (1)

В условиях далеких от резонанса, в соответствии с правилом альтернативного запрета, в процессе КРС первого порядка активны лишь фононы, симметричные, относительно центра инверсии (четные фононы, помеченные индексом "g" в (1)). Фононы этого типа взаимодействуют с носителями заряда через деформационный потенциал. По мере приближения к резонансу и в условиях резонанса в спектрах КРС появляются особенности, соответствующие рассеянию на нечетных фононах (антисимметричных относительно центра инверсии, помеченных индексом "и" в (1)) и их комбинациях. Наблюдение в спектрах "запрещенных" фононов связано в конечном итоге со спецификой взаимодействия фононов этого типа с носителями заряда'. Наряду с механизмом взаимодействия через деформационный потенциал, нечетные фононы, создающие макроскопическое поле (этим фононам соответствует противофазное смещение разноименно заряженных ионов ртути и иода) взаимодействуют с носителями заряда через механизм фрелиховского типа, который в условиях резонанса является доминирующим.

На основе поляризационных, температурных исследований спектров КРС первого порядка в области далекой от' резонанса

проведена классификация четных фононов дииодида ртути. Линия с частотой 17см"1 в спектре КРС соответствует фонону симметрии Ее3, 29см"1 -. Е^1 и Bie2, 114см"1 - Aie, 143см"1 - Bi?1. Лля надежной классификации фононного спектра был проделан расчет частот жесткослоевых фононов, которым соответствуют относительные колебания недеформированных слоев (фононы Ег3 и Biff2). Частоты определялись в соответствии полученными нами выражениями:

«(Ble2) =(4/с)*(С33/р)1/2 (2)

й(Ее3) =(4/c)*(C44/p)1/Z (3)

(с - постоянная решетки, р - плотность, C¿ j - компоненты тензора упругости). Расчетные значения составляют 27.5см""1 и 19см-1, они хорошо соответствуют экспериментальным значениям частот.

Особенностей, соответствующих рассеянию на фононе Es2 симметрии в спектрах КРС не обнаружено, в связи с чем был осуществлен расчет частоты фонона Ег2. Расчетное значение частоты составляет 112см"1, что весьма близко к частоте полносимметричного фонона Aie (114см"1). Интенсивная линия КРС Ai? маскирует линию, соответствующую рассеянию на Ее2 фононе.

В процессе решения характеристического уравнения, определяющего частоту Ег2 фонона, кроме того, были определены заряды ионов ртути и иода, а также константы межатомного взаимодействия. Заряды ионов ртути и иода составляют, соответственно, 0.42ео и -0.21ео. Малое значение зарядов ионов, а также сопоставление численных значений констант межатомного взаимодействия, которые соответствуют дальнодействующему (кулоновскому) и короткодействующему взаимодействию позволило сделать вывод о том, что силы межатомного внутрислоевого взаимодействия носят преимущественно ковалентный характер, ионный тип связи проявляется слабо.

В главе приведены результаты исследований оптического и механического энгармонизма фононов. Оптический энгармонизм, связанный с членами выше первого порядка в разложении восприимчивости кристалла по смещениям атомов, приводит к КРС высших порядков, и, в первую очередь, к рассеянию второго порядка. В спектрах рассеяния в диапазоне 40см"1 - 300см-1 обнаружен ряд

малаинтенсивных особенностей, относящихся к процессу КРС второго порядка, что подтверждается температурными исследованиями. Интерпретация особенностей спектров второго порядка проведена с учетом правил отбора и на основе энергетических соображений.

Механический энгармонизм, связанный с членами выше второго порядка в разложении потенциальной энергии кристалла по смещению атомов, проявляется в комплексном сдвиге частоты фонона при изменении температуры и под действием давления. Вещественная часть сдвига представляет собой реальный сдвиг частоты фонона. Мнимая часть смещения частоты соответствует уширению колебательного состояния, связанному с временем жизни фонона соотношением неопределенности. В работе проведено детальное исследо3» вание влияния температуры и давления на сдвиг частот и параметров уширения фононных линий. Анализ зависимостей частот фононов от гидростатического сжатия позволил определить значения медовых параметров Грюнайзена:

т = -Э1п й4/01пУ (4)

где гп -изотермический параметр Грюнайзена, - частота 1-го фонона, V - объем кристалла. Получены следующие значения параметров Г(Ее3)=3.7 ± 0.6,' г(Ее1,В1г2)=3.4 ± 0.3, т(А1г)=0.9 ± ±0.1. Зависимость частоты фонона от температуры (полная производная частоты фонона по.температуре при постоянном давлении) представляется в виде суммы двух членов, первый член.определяет вклад фонон-фононного взаимодействия (вклад А), второй член определяет вклад, связанный с изменением объема кристалла при изменении температуры (вклад Б):

-1/Й1№/с!Г)р = ГУ1/2 + Гп*а . (5)

где а - коэффициент объемного термического расширения, т -модовые параметры Грюнайзена, характеризующие вклад Б в изменение фононной частоты, - изохорический ангармонический параметр, характеризующий вклад А в изменение частоты фонона. Совместный анализ экспериментальных зависимостей Й1(Р) и Й1(Т) позволил определить изохорические ангармонические параметры и, таким образом, разделить ангармонические вклады А и Б в измене-

нии фононной частоты. Получены значения параметров: rv(Ee3) = = (3.0 ± 0.6) 10~4 К"1, YviE/.Bie2) = (2.3 ± 0.4) 10~4 К-1, ïv(AieO = ;(2.4± 0.5) 10"5 К-1. С ростом температуры время жизни фононов снижается, величина обратная времени жизни (полуширина фононной линии) возрастает. В общем случае зависимость Г(Т) имеет довольно сложный характер, однако, в случае если доминирует кубический или четвертого порядка энгармонизм, т.е. если фононы распадаются, соответственно, на два или три фонона, выражения описывающие зависимости Г(Т) имеют простой вид:

14 = Г0 + a[n(Œa)+l/2] + b{[п(йь)+1/2]2+1/12> (6)

где n(fia) и n(ßa) - фононные числа заполнения, Г0, а,Ь, - постоянные величины. Второе слагаемое (6) соответствует распаду фонона с образованием двух фононов с частотой S2a=i2i/2 (кубический ангармонизм), третье слагаемое в (6) соответствует процессу распада фонона с образованием трех фононов с частотой S2b=Œi/3 (ангармонизм четвертого порядка).

При распаде фонона с частотой fii на два различных фонона с частотами йс и Î2d выражение для Г(Т) имеет вид:

14 = Г0 + с С n(Qc) + n(fld) + 13 (7)

В соответствии с (6), (7) в пределе высоких температур рост Г(Т) линеен в случае, если доминирует кубический ангармонизм (фонон распадается на два фонона), или квадратичен в случае, если доминирует ангармонизм четвертого порядка. Полученные экспериментальные зависимости Г(Т) хорошо описываются выражениями (6), (7). В пределе высоких температур экспериментальная зависимость Г(Т) для фонона Aie квадратична и линейна для других исследуемых фононов. Руководствуясь этими данными, а также энергетическими соображениями были установлены следующие механизмы распада фононов. Низкочастотные фононы Ее3, Eg-1, Big-2 распадаются на два акустических фонона с большими по величине и противоположными по направлению волновыми векторами (доминирует кубический ангармонизм). Фонон Aig- распадается на три акустических фонона с большими волновыми векторами (ангармонизм четвертого порядка). Фонон Big-1 распадается на два оптических фо-

нона Aie и Big-2 (доминирует кубический энгармонизм). Анализ величин изохорических ангармонических параметров Tv независимым образом подтверждает наши выводы о механизмах распада фононов. Полученные данные о механизмах распада фононов обобщены для широкого класса слоистых кристаллов, в которых имеется область с нулевой плотностью колебательных состояний, разделяющая низкочастотные (жесткослоевые) и высокочастотные (внутрисловные) колебания. Низкочастотные оптические фононы распадаются на два акустических фонона, доминирует кубический энгармонизм. За счет большого различия сил межслоевого и внутрислоевого взаимодействия, частоты внутрислоевых колебаний могут значительно превосходить частоты жесткослоевых колебаний, в соответствии с чем, частотный интервал Яг с нулевой плотностью колебательных состояний, разделяющий предельные частоты внутрислоевых и жесткослоевых колебаний может заметно превышать максимальную частоту жесткослоевых колебаний fii (или предельную частоту акустических фононов). Следствием этого является то, что высокочастотные внутрислоевые фононы с частотой ЧЙ1+Й2) распадаются не менее чем на к фононов, где к-(Й1+Й2)/Й1, для них, соответственно, доминирует энгармонизм (к+1) порядка. Для фононов с частотами й >(Й1+Й2) доминирующим может являться энгармонизм низкого порядка (например, кубический), чему соответствует распад фонона на два оптических фонона (с частотами ~(Й1+Пг) и ~(Й-Й1-Йг) )•

В последней части главы представлены результаты исследования процесса КРС в резонансных условиях. При возбуждении в области близкой к экситонныы переходам, а также в области собственного поглЬщения в спектрах КРС появляются пики, соответствующие рассеянию на нечетных фононов и их комбинациях. В узкой спектральной области (537 нм - 532.5 нм) близкой к основному зкситонному состоянию сечения рассеяния на комбинациях фононов 2Ец, Аги» А2и+Еи возрастает почти на три порядка, сильный резонансный эффект для нечетных фононов объясняется фрелиховским механизмом их взаимодействия с носителями заряда, четные фононы, взаимодействующие с носителями через деформационный потенциал, демонстрируют существенно меньший резонансный эффект.

Вид резонансной зависимости определяется, в частности, конфигурацией промежуточных состояний, по которым осуществляется суммирование в теоретических выражениях для сечения рассея-

ния. Анализ, экспериментальных резонансных зависимостей (их сопоставление с теоретическими выражениями для сечения рассеяния) позволяет решать обратную задачу: уточнять конфигурацию промежуточных состояний. В работе таким методом (из сопоставления экспериментальной зависимости для сечения рассеяния на А1е фо-ноне с теоретическими соотношениями) изучен энергетический спектр экситона. Варьированием параметров, задающих энергетическое положение возбужденных экситонных состояний (энергетическое положение основного экситонного состояния известно из экспериментов по люминесценции и поглощению света),.достигалось наилучшее соответствие теоретической и экспериментальной резонансных зависимостей. Такого рода анализ позволил установить, что в целом энергетический спектр экситона не описывается водо-родоподобной моделью. Основное экситонное состояние выпадает из вородоподобной серии, в то время как энергия возбужденных экситонных состояний (п>2) задается водородоподобной серией с эффективной энергией свя8и экситона И'-100 см"1.

Четвертая глава содержит результаты исследования напряженных СР баАБ-1пАб. В главе проводится анализ основных типов фо-нонов системы: локализованных оптических и свернутых акустических, предсказывается возможность существования в этой системе нового типа фононов - локализованных акустических фононов. Физические причины образования фононов данного типа вполне очевидны. В случае, если предельные частоты акустических фононов в материалах, образующих СР существенно различаются (-210 см"1 и ~150см-1 для (ЗаАБ и ¡пАг, соответственно) и, кроме того, частота акустического фонона одного материала (ВаАБ в данном случае) попадает в интервал запрещенных частот другого материала (в 1пАз этот интервал: максимальная частота акустического фонона -минимальная частота продольного оптического фонона составляет 150см-1-200см-1), имеются необходимые условия для локализации акустического колебания в БаАв слое. Анализ дисперсионных соотношений позволил сформулировать достаточные условия образования локализованного акустического фонона, они задаются неравенством: с!г > 25, где 5- глубина затухания колебательного возбуждения в слое 1пАз на частотах 150см-1-200см-1, йг - толщина слоя 1пАб. Продемонстрирована возможность образования локализо-

ванных акустических фононов в ряде других СР.

В отличие от СР GaAs-AlAs, где ветви оптических фононов компонент не прекрываются, что существенно упрощает анализ фо-нонного спектра, в СР GaAs-InAs частоты оптических фононов ее компонент различаются в меньшей степени и ветви оптических фононов GaAs и InAs частично перекрываются. Сильное механическое напряжение слоев СР GaAs, InAs, обусловленное рассогласованием параметров решеток, приводит к дополнительному сближению частот оптических фононов. Большое рассогласование параметров решеток GaAs, InAs накладывает , также , определенные ограничения на возможные значения и соотношения толщин слоев GaAs и InAs в СР. В работе исследованы СР двух типов:(GaAs)k(InAs)i на подложках GaAs и (GaAs)i(InAs)к на подложках InAs, где значение 1 не превышает двух - трех, а к не менее пяти и не ограничено сверху. В спектрах КРС были зарегистрированы пики, соответствующие свертке ветвей акустических фононов и локализации оптических.

Интенсивность дублетных пиков акустических фононов при рассмотрении простейшей модели фотоупругого механизма рассеяния выражается следующим образом Ш:

I (m)=Am"2sin2(wndi/d) [1+п(ы)]м> (8)

где ш - номер дублета, d - период, d=di+d2, n(w) - распределение Бозе-Эйнштейна, А - коэффициент пропорциональности, содержащий фотоупругие константы компонент СР. В случае, если толщины слоев СР примерно равны, из (8) следует, что интенсивность пиков' резко снижается с ростом ш, и кроме того, интенсивность четных дублетов равна нулю. Спектр КРС , по существу, содержит лишь один первый дублет свернутых акустических фононов. Для СР с большим отношением толщин слоев, которые рассматриваются в работе, (8) преобразуется к виду:

I(m)=Ajiz(di/d)2 kT Г)"1 (9)

то есть, интенсивность не зависит от номера дублета, что позволяет исследовать процесс свертки ветвей акустических фононов в значительно более широком диапозоне частот, что и реализовано в работе. Спектры КРС СР GaAs-InAs с соотношением толщин слоев

10..1 содержат - до ? дублетных пиков, частоты которых с высокой точностью соответствуют теоретическим дисперсионным зависимостям. Полученные экспериментальные данные используются для определения дисперсии продольного акустического фонона баАэ путем "развертки" спектра, содержащего пики свернутых акустических фононов, полученная дисперсия хорошо соответствует имеющимся литературным данным.

В спектрах КРС СР баАз-1пАз в области частот оптических колебаний обнаружены пики, соответствующие локализованным оптическим фононам ЬОщ в слоях ЗаАз с порядком квантования вплоть до т = 13. Сопоставление экспериментальных значений частот Шт с расчетными позволил выявить специфику фононной системы СР ОаАз-1пАб в сравнении с СР ВаАБ-МАэ, которая проявляется в том, что оптические фононы локализуются в меньшей степени, что обусловлено меньшим частотным различием дисперсий оптических фононов СР БаАз-1пАб и их дальнейшим сближением за счет сильных встроенных механических напряжений. В исследуемых СР реализуется промежуточный случай между локализацией и сверткой ветвей оптических фононов. Отмечается возможность определения методом КРС остаточных напряжений и структурных параметров СР. Экспериментально прослеживается эволюция локализованного оптического фонона в тонком слое ЭаАз СР баАБ-1пАз в локальное колебание Ба в кристалле 1пАб при уменьшении толщины слоя баАз.

Пятая глава посвящена исследованию КРС в СР йаАз-А1Аз. В ней приводятся результаты исследования эффектов ангармонизма фононов СР. Анализ температурных зависимостей частот и полуширин пиков рассеяния на локализованных оптических фононах позволил определить изохорические ангармонические параметры (для Ь01 в слое баАБ и А1Аб они равны, соответственно: (8.5±0.4)10~5К-1 и (7.1±0.4)10~5К-1) и установить, что для продольных оптических фононов, локализованных в слоях СР, как и для фононов объемных материалов, доминирующим является кубический ангармонизм, чему соответствует их распад на два акустических фонона.

В главе подробно рассматриваются эффекты резонансного КРС в СР, в частности, анализируется влияние электрического поля на спектры резонансного КРС в СР СйАз/А1Аз. Изучение интенсивнос-тей КРС дает информацию об деталях злектрон-фононного взаимо-

действия в СР. Приложение электрического поля производит хорошо известное изменение электрошок волновых функций, позволяя, следовательно, изучать электрон-фотонное- взаимодействие. Исследовано резонансное КРС в ряде СР баАаШАэ при различных значениях электрического поля. В резонансных условиях в процессе КРС доминирует фрелиховский'механизм, и в спектрах, проявляются четные локализованные ЬО фонолы. Приложение электрического поля в направлении нормали к слоям нарушает симметрию электронных волновых функций и приводит к изменению интенсивности рассеяния на локализованных оптических фононах. При приложении электрического поля наблюдалось значительное уменьшение интенсивности комбинационного рассеяния на четных локализованных ЬО фононах, рост интенсивности интерфейсных фононов, и появление пиков ТО фоно-нов как в (ЗаАг, так и в А2Аг области. Однако предсказываемое теорией появление в спектрах нечетных локализованных ЬО мод не наблюдалось дате при больших значениях приложенного электрического поля.

Полученные экспериментальные данные проанализированы на основе расчета интенсивности КРС, обусловленного фрелиховским' взаимодействием между локализованными ЬО фонолами и экситонами в квантовых ямах. Результаты расчетов для простого процесса рассеяния с участием одного фонона существенно расходятся с экспериментальными данными. В частности, из этого расчета следует резкое увеличение интенсивности рассеяния на нечетных локализованных ЬО модах при приложении поля, не наблюдавшееся в эксперименте.

Из сохранения квазиимпульса для процессов с участием одного фонона в геометрии обратного рассеяния следует, что волновой вектор фонона, участвующего в процессе КРС, направлен вдоль нормали к слоям (ось г), а его компонента, параллельная плоскости слоев (дХу) равна нулю. Однако проявление в спектрах КРС ТО и интерфейсных фононов подтверждает возможность рассеяния на фононах с дХу * 0. Кроме того, рассеяние через простой однофо-нонный фрелиховский механизм запрещено'в случае перпендикулярных поляризаций падающего и рассеянного света. Однако, в скрещенной поляризационной геометрии наблюдались спектры, такой же формы и со сравнимой интенсивностью, как и в параллельной геометрии (т.е. только четные локализованные ЬО моды и интерфейс-

ные фононы). Для объяснения этих фактов был рассмотрен процесс рассеяния более высокого порядка, включзгощдй, помимо злект-рон-фононного взаимодействия, упругое рассеяние электронов на примесях или дефектах (фрелиховское взаимодействие, индуцированное дефектами). Участвующий в таком процессе фонон может иметь отличную от нуля компоненту Показано, что этот механизм рассеяния является доминирующи в резонансных условиях. Расчет интенсивности КРС на локализованных ЬО фононах в зависимости от электрического поля, проведенный с учетом фрелиховско-го взаимодействия, индуцированного дефектами'гетёрограниц, дает хорошее согласие с экспериментальными данными, объясняя тот факт, что нечетные локализованные ЬО моды не наблюдались в ,спектрах КРС даже при больших значениях прикладываемого электрического поля. Только наличие в процессе КРС дополнительной стадии упругого рассеяния на дефектах может объяснить присутствие в спектрах КРС интерфейсных и ТО мод, .поскольку рассеяние на них возможно только при условии наличия у фонона ненулевой компоненты волнового вектора дХу- Наблюдавшееся в эксперименте рассеяние на через фрелиховский механизм в перпендикулярной геометрии, запрещенное для однофононного. процесса, также становится возможным при учете роли дефектов.

В пятой главе также представлены результаты исследования КРС в СР, содержащих сверхтонкие слои А1Аб и структурах со спаренными квантовыми ямами.

Исследовались спектры А1Аэ фононов в СР со сверхтонкими слоями А1Аэ (толщина слоя ОаАэ составляла 8 монослоев, а слоя А1Аэ - 3, 2, 1, 0,5 монослоя). Эти спектры позволяют проследить эволюцию локализованного в слое АХАб ЬО фонона в локальный фонон атома А1 в баАэ. В СР, где толщина слоев А1Аэ составляет 3 и 2 монослоя, частота ЬО фонона находится в пределах дисперсии ЬО фононов А1Аб, т.е. в этих СР фонон еще может рассматриваться как локализованный ЬО фонон в слое А1Аз. По мере уменьшения толщины слоев А1Ал частота пика ЬО фонона уменьшается и приближается к частоте локального колебания атома А1 в ОаАз, наблюдавшегося в спектре твердого раствора ваМАэ с малой концентрацией А1 (около 1%). В этих же структурах исследованы ЬО фононы, локализованные в слоях ОаАэ. В СР, где толщина слоя А1Аэ составляет 1 и 0.5 монослоя в нерезонансных условиях было обнару-

жено нарушение правил отбора, которое проявлялось в том,что спектры КРС одновременно содержали пики как нечетных, так и четных локализованных L0 фононах в геометрии 2(x,y)z. в то время как спектры СР с 2 и 3 монослоями AlAs содержали только пики нечетных мод. Обнаруженное нарушение правил отбора обусловлено следующими причинами. Даже в наиболее совершенных СР всегда имеют место флуктуации толщины слоев величиной монослой, и в случае, когда толщина слоя AlAs составляет всего 1 монослой, это приводит к тому, что в некоторых областях этот слой вообще отсутствует. В такой системе появляется сильная разупорядочен-ность, которая в целом не изменяет колебательный спектр СР, однако приводит к тому, что наряду с процессами с сохранением волнового вектора,. приводящими к рассеянию на нечетных локализованных L0 фононах, становятся возможными процессы рассеяния с нарушением закона сохранения волнового вектора. В этом случае спектр КРС должен содержать-вклад, пропорциональный плотности фононных состояний в СР, и становится возможным появление в спектрах КРС пиков, соответствующих четным локализованным L0 фононам. Следует заметить, что в СР, в которых толщина слоя AlAs составляет 2 и более монослоев, флуктуации толщины порядка одного монослоя приводят к образованию областей, где слой AlAs отсутствует, с гораздо меньшей вероятностью. Этим объясняется то, что в спектрах КРС СР, содержащих 2 и 3 монослоя AlAs, пиков, соответствующих четным локализованным L0 фононам, не наблюдается.

Нерезонансное КРС одновременно как на нечетных, так и на четных локализованных L0 фононах наблюдалось также в структуре со спаренными квантовыми ямами (КЯ), состоящей из 40 периодов (GaAs)i2(AlAs)з(GaAs)ig(AlAs)12» каждый период представлял собой две квантовые ямы GaAs, разделенные тонким барьером AlAs. В этом случае нарушение правил отбора связано с особенностями симметрии огибающих электронных волновых функций и потенциалов, создаваемых фононами. В данной структуре имеются две квантовые ямы GaAs, разделенные барьером AlAs толщиной 3 монослоя. Для фононов этот барьер является практически непреодолимым (глубина проникновения L0 фонона GaAs в слой AlAs составляет ~ 1 монослой), и смещения атомов, а следовательно и создаваемые фононами потенциалы имеют такой же вид, как и для одной изолированной

ямы, сохраняя симметрию относительно центра каждой из ям в отдельности. Электроны же легко могут проникать через барьер в 3 монослоя, и симметрия их волновых функций определяется симметрией всей системы в целом. Таким образом, правила отбора, которые следуют из симметрии огибающих электронных волновых функций и создаваемых фононами потенциалов в одиночной квантовой яме, нарушаются, и в спектрах КРС как в нерезонансных, . так и в резонансных условиях должны проявляться и четные, и нечетные локализованные ЬО фононы. Однако в спектре.резонансного КРС структуры со спаренными КЯ нечетные фононы не наблюдаются, что объясняется наличием дополнительного механизма рассеяния - фрели-ховского взаимодействия, индуцированного дефектами. Его проявление в резонансных условиях приводит к тому, что в спектрах КРС доминируют четные локализованные ЬО фононы.

В последней части главы представлены результаты детального исследования методом КРС фононного спектра СР (ЗаА5/А1А5 в области частот А1Аз и анализ дисперсии ьо фононов А1Аз. Изучение КРС на локализованных оптических фононах в СР позволяет получать информацию о дисперсии фононов в составляющих ее ■ объемных материалах. Эта возможность является особенно важной для А1Аз, поскольку из-за нестабильности этого материала затруднено исследование объемного А1Аз другими методами, в частности методом рассеяния холодных нейтронов.

Следует отметить, ч*о наблюдение пиков КРС на локализованных фононах в слоях А1Аб и их правильная интерпретация сопряжены с определенными трудностями [2-51. Помимо пиков ЬО фононов спектры содержат широкую спектральную особенность, обусловленную интерфейсными фононами, проявление которой является следствием неидеальности гетерограниц. Это существенно затрудняет наблюдение или осложняет правильную интерпретацию пиков локализованных оптических фононов выше первого порядка. Экспериментальные результаты, представленные в диссертации, были получены на специально отобранных образцах наиболее совершенных СР 0аАз/А1Аз. Критерием выбора являлось отсутствие интерфейсной особенности в спектрах КРС (как в баАз, так и в А1Аз области), что позволило спектрально разрешить пики локализованных ЬО фононов А1Аз порядка 1-5. Полученные данные позволили построить дисперсию ЬО фононов объемного А1Аз, которая хорошо согласуется

с наиболее точной имеющейся на сегодняшний день теоретической дисперсионной зависимостью, полученной из первых принципов [63.

В шестой главе диссертации формулируется метод контроля структурных параметров полупроводниковых СР на основе данных КРС. :

Частоты акустических, и,оптических фононов полупроводниковой сверхрешетки очевидным образом связаны с ее основными структурными параметрами:• периодом, толщинами слоев. Кроме того, в ряде работ отмечается и существенное влияние на частоты фононов (при заданном значении толщин слоев СР) разупорядочен-ности гетерограниц, толщин переходных слоев [7-9]. В этой связи возникает вопрос: на сколько однозначно связаны эти две группы параметров (набор структурных параметров и набор частот фононов, регистрируемых в эксперименте), а также существуют ли варианты однозначного■решения обратной спектральной задачи для данной группы, параметров, т.е., возможно ли определение набора структурных параметров СР (периода, толщин слоев, толщин переходных слоев) на основе данных о частотах оптических и акустических фононов СР. .

Глава 6 посвящена анализу этого вопроса. В рамках одномерной модели проведен расчет частот акустических и оптических фононов сверхрешеток БаАБ/ А1Аб в зависимости от структурных параметров СР (периода, толщин слоев компонентов, толщины переходного слоя на гетерограницах). Результаты расчета использованы для анализа экспериментальных данных о частотах фононов, полученных методом КРС в ряде СР (ЗаА5/А1Аз с ориентацией (001). Описана процедура решения обратной спектральной задачи (т.е. определения структурных параметров из. данных КРС о фононном спектре), продемонстрирована однозначность ее решения и проанализирована точность определения структурных параметров СР на основании данных КРС.

Показано, чми наличие переходного слоя на гетерограницах не оказывает существенного влияния на частоты акустических фононов, и основным структурным фактором, определяющим их, является период СР.

Для расчета частот оптических фононов использовалась модель линейной цепочки, учитывающая взаимодействие атомов с ближайшими и следующими соседями, подробно изложенная в 19). Для

описания переходного слоя на гетерограницах, используется функция ошибок, вероятность заполнения катионных узлов атомами 5а вблизи гетерограницы задается выражением:

Реа(2) = И + егГ(г/Ю5/2 (10)

Координата г отсчитывается от граничного слоя атомов Аз, параметр И характеризует ширину переходного слоя.

Результаты проведенных расчетов свидетельствуют о сильном изменении частот локализованных оптических фононов как в баАз, так и в А1Аб при увеличении толщины переходного слоя V;.

В реальной СР профили гетерограниц БаАз-А1Аз (переход от (ЗаАг к А1Аб в процессе роста - "прямая" гетерограница) и А1АБ-ЗаАз - "обратная" граница) могут отлетаться. В работе было проанализировано влияние асимметрии профилей гетерограниц на частоты локализованных оптических фононов, и показано, что это влияние незначительно. Фактором, определяющим частоты локализованных оптических фононов, является значение толщины переходного слоя, усредненное по обеим гетерограницам.

Решение обратной спектральной задачи, т.е. определение структурных характеристик СР по данным спектроскопии КРС о частотах фононов, основывается на результатах проведенных расчетов. Для точного определения периода СР используются экспериментальные значения частот свернутых акустических фононов. Рассчитанные зависимости частот локализованных оптических фононов от толщины слоев БзАб и толщины переходных слоев И позволяют определять эти два параметра по данным о фононных частотах. Проанализированы экспериментальные данные КРС для большого количества образцов СР с различными толщинами слоев. Эти данные хорошо описываются в рамках предложенной модели фононного спектра СР.

Аналогичная процедура определения толщины слоя А1Аэ и параметра V/ может быть осуществлена на основе экспериментальных значений частот фононов, локализованных в слоях А1Аэ. Однако, разрешение в спектрах КРС локализованных А1Аз Ш фононов, как отмечалось выше, часто бывает затруднено вследствие слабой дисперсии Ю фононов А1Аб и наличия в спектрах интенсивной особенности интерфейсных фононов. Толщина слоя А1Аз может определять-

ся как разность периода и толщины слоя ОаАэ.

Таким образом, экспериментальные данные о частотах фононов, полученные методом комбинационного рассеяния света, позволяют определять совокупность структурных параметров сверхрешеток: период, толщины слоев ваАэ и А1Аэ, толщину переходных слоев на ге-терограницах. Точность определения структурных параметров СР оценивается нами как - 0.15 пш (0.5 монослоя). Эта величина получена с учетом точности определения частот'фононов из экспериментов по КРС и погрешностей в расчетах прямой спектральной задачи. Структурные параметры СР, определяемые из решения обратной спектральной задачи на основе данных КРС, находятся в хорошем соответствии с данными дифракции рентгеновских лучей и электронной микроскопии высокого разрешения.

В заключении диссертационной работы отмечается личный вклад автора, формулируются основные результаты работы:

1. На основе поляризационных и температурных исследований процесса КРС, а также исходя из расчетных значений частот фононов симметрии Ег3, Ее2, В1е2, проведена классификация фононного спектра дииодида ртути. Определены значения констант межатомного взаимодействия, эффективные заряды ионов ртути 0нг=*0.42ео и иода^1=-0.21ео. Полученные выражения для расчета частот жест-кослоевых оптических фононов применимы для широкого класса слоистых кристаллов.

2. Впервые подробно изучено проявление эффектов энгармонизма фононов' в слоистых материалах. Проведена идентификация ряда^особенностей спектров рассеяния второго порядка. Определены модовые ангармонические параметры Грюнайзена и изохорические ангармонические параметры, разделены вклады различных типов энгармонизма в температурной зависимости частоты фононов. Установлены механизмы распада фононов: полносимметричный фонон Ап^ распадается.на .три акустических фонона (доминирует энгармонизм четвертого порядка), , другие фононы распадаются на два фонона (доминирует. кубический энгармонизм.). Отмеченные закономерности релаксации колебательной энергии обобщены для широкого класса слоистых соединений. • : ,

Впервые проанализирован энгармонизм локализованных опти-

ческих фононов в сдоях полупроводниковых СР. Установлено, что для них, как и для продольных фононов объемных кристаллов, доминирующим является кубический энгармонизм, чему соответствует распад локализованного оптического фонона на два акустических.

3. Исследовано резонансное КРС в дииодиде ртути. Проведена интерпретация спектров резонансного КРС с учетом различий электрон-фононного взаимодействия для четных и нечетных оптических фононов. Анализ резонансной зависимости интенсивности рассеяния на полносимметричном фононе позволил уточнить энергетические характеристики экситона. Установлено, что водородопо-добная модель не является удовлетворительной для описания экситона. Определена эффективная энергия связи экситона {?*=100см_1.

4. В напряженных СР ваАэ-1пАз впервые исследованы эффекта локализации оптических и свертки акустических фононов. Исследования СР с большим соотношением толшда слоев позволили пронаблюдать эффект свертки ветвей акустических фононов в значительной области акустического диапазона частот. Установлена слабая степень локализации оптических фононов в слоях СР 0аАБ-1пАз в сравнении с СР баАБ-МАБ, что обусловлено частичным перекрытием ветвей оптических фононов и их дополнительным сближением за счет сильного встроенного механического напряжения.

5. Предсказана возможность существования в СР 6аАз-1лА5* нового типа фононов: локализованных акустических фононов. Проанализированы необходимее и достаточные условия образования данного типа фононов в полупроводниковых СР и отмечена возможность их существования в ряде СР, таких как А1А5-1пАб, (ЗаАБ-1пБЬ, А1БЬ-1пАз, А15Ь-1пБЬ и др.. Поперечные акустические локализованные фонолы могут существовать в СР ваАз-А1Аз.

6. Впервые исследован процесс КРС на локализованных оптических фононах в структурах ВаАэ/АМз со спаренными квантовыми ямами, где наблюдалось нерезонансное рассеяние одновременно как на нечетных, так и на четных локализованных продольных оптических фононах. Проведена интерпретация нарушения правил отбора с учетом специфики формы электронных волновых функций в спаренной квантовой яме и потенциалов локализованных фононов. Изучены эффекты локализации фононов в слоях ваАз в сверхрешетках Оа-Аз/А1Аб со сверхтонкими слоями А1Аэ. При уменьшении толщины слоя А1Аэ до одного монослоя наблюдалось появление в спектрах

комбинационного рассеяния запрещенных линий четных локализованных ЬО фононов наряду с нечетными. Предложено объяснение этого факта, состоящее в наличии механизма рассеяния, обусловленного дефектами (флуктуации толщины слоев, приводящие к отсутствию в некоторых областях слоя А1Аэ).

7. Исследовано влияние электрического поля на процесс резонансного комбинационного рассеяния света в квантовых ямах Оа-А5/А1Аз. Экспериментальные результаты проанализированы на основе расчета зависимости от электрического поля интенсивности рассеяния на локализованных оптических фононах, обусловленного фрелиховским механизмом электрон-фононного взаимодействия. Показано, что экспериментальные данные хорошо описываются теорией для процессов КРС с участием дефектов гетерограниц, в то время как результаты расчета для простого однофононного процесса не соответствуют ряду экспериментальных фактов. На основании этого сделан вывод о том, что в процессе.резонансного комбинационного рассеяния в квантовых ямах доминирующим является фрелиховское взаимодействие, индуцированное дефектами.

8. Продемонстрирована возможность определения дисперсии оптических фононов для компонент СР методом КРС, в частности для А1А5, нестабильность которого затрудняет исследование дисперсии фононов традиционными методами рассеяния холодных ' нейтронов. На основании данных комбинационного рассеяния света о частотах локализованных оптических фононов в слоях А1Аз СР определена дисперсия продольных оптических фононов объемного А1Аз, которая подтверждает результаты микроскопического расчета, проведенного из первых принципов. -

9. Проанализировано влияние разупорядоченности гетерограниц на фононный спектр сверхрешеток <ЗаА5/А1А5. Показано, что наличие переходного слоя на гетерограницах не оказывает существенного влияния на частоты акустических фононов. Частоты локализованных оптических фононов, напротив, сильно зависят от толщины переходного слоя. При этом влияние асимметрии профиля гетерограниц на фононный спектр незначительно, и фактором, определяющим частоты локализованных оптических фононов, является значение толщины переходного слоя, усредненное по обеим гете-рограницам. На основе полученных данных сформулирован метод контроля структурных параметров сверхрешеток. Точность опреде-

ления совокупности структурных параметров сверхрешеток (периода, толщин слоев, толщин переходных слоев) сравнима с точностью методик реитгеноструктурного анализа и электронной микроскопии высокого разрешения.

Список работ, включенных в диссертацию:

1. Гайслер В.А., Дагман Э.Е., Кляйн А.Р., Терехов A.C. Рама-новский спектрометр, управляемый ЭВМ. - Автометрия, 1980, №4, с.46-51.

2. Гайслер В.А., Залетин В.М., Кравченко А.Ф., Терехов A.C. Исследование совершенства кристаллов Hgl2 методом комбинационного рассеяния света. - Материалы Всесоюзного совещания по полупроводниковым детекторам, Киев, 1981, с.44-46.

3. Гайслер В.А., Залётин В.М., Кравченко А.Ф.> Терехов A.C. Аномальное поведение фононного спектра Hgla под действием одноосного давления. - Оптика и спектроскопия, 1981, т.50, B.3, с.590-592.

4. Гайслер В.А., Залетин В.М., Кравченко А.Ф. Контроль совершенства кристаллов дииодида ртути методом комбинационного рассеяния света и люминесценции. - Тезисы 6 Конференции по' процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок, Новосибирск, 1982, т.1, с.71-72.

5. Гайслер В.А., Залетин В.М., Лях Н.В., Ножкина И.Н., Фомин В.И. Дииодид ртути: получение, свойства, применение, издательство "Наука", Сибирское отделение, 1984,-104 с.

6. Гайслер В.А. Комбинационное рассеяние света в дииодиде ртути. - Новосибирск, 1984, - 43 с.(Препринт / Инстигутут физики полупроводников: 8-84).

7. Haisler V.A., Zaletin V.M., Kravchenko A.F., Yashin ß.Y. Raman Scattering of First and Second Order In Red Mercury Iodide.- Phys. stat. sol.(b), 1984, v.121, n.l, kl3-kl7.

8. Haisler V.A., Zaletin V.M.. Kravchenko A.F. Raman Study of Anharmonic Effects In Red Mercury Iodide.- Phys. stat. sol.(b), 1984, v.125, n.2, kl03-kl08.

9. Гайслер В.А., Курочкина T.B., Автоматизированный Рамановский микрозонд для исследования полупроводниковых структур.- Тезисы Докладов III Всесоюзной конференции по спектроскопии

комбинационного рассеяния света, Душанбе, 1986, с.282- 283.

10. Гайслер В.А., Синюков М.П., Талочкин А.Б. Комбинационное рассеяние света на поверхностных колебаниях кристаллов Ge. Тезисы докладов III Всесоюзной конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния света, Душанбе, 1986, с.208- 203.

11. Бобылев Б.А., Вдовин A.B., Гайслер В.А., Кравченко А.Ф., Палкин А.М., Сцок Э.М., Торчинов Х.З. Методы спектроскопии полупроводников.- Новосибирск, (Институт физики полупроводников), 1986, -167с.

12. Рагозина Н.В., Гайслер В.А., Залетин В.М. Использование метода комбинационного рассеяния света' для оценки качества кристаллов дииодида ртути. В кн. :• Кристаллизация и свойства кристаллов, Межвузовский сборник, Новочеркасск, изд. Новочеркасского политехнтческого института, 1987, с. 77-80.

13. Гайслер В.А., Неизвестный И.Г., Синюков М.П., Талочкин A.B. Комбинационное рассеяние двета на поверхностных колебаниях кристаллов германия. - Письма в ЖЗТФ, 1987, т.45, в.7, с.347-350.

14. Гайслер В.А., Курочкина Т.В. Установка для локальной спектроскопии комбинационного рассеяния света полупроводниковых структур,- Приборы и техника эксперимента, 1988, Ш, с.170-173.

15. Шебанин А.П., Гайслер В.А., Курочкина Т.В., Мошегов Н.Т., Стенин С.И., Торопов А.И. Свертка ветвей акустических фоно-нов в сверхрешетках GaAs/InAs.- Письма в ЖЭТФ, 1989,т.49, в.6, с.349-351.

16. Гайслер В.А., Курочкина Т.В.,Торопов А.И., Шебанин А.П. Комбинационное рассеяние света в сверхрешетках GaAs/InAs.-Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния света, Ужгород,- 1989, часть 1, с.128-129.

17. Афанасьев С.А., Гайслер В.А., Курочкина Т.В. Рамановская-пьезотопография кремниевых мембран.-* Тезисы 'докладов IV Всесоюзной конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния света, Ужгород, 1989, часть 1, с.120-121.

18. Марков В.А., Пчеляков О.П., Соколов Л.В., Гайслер В.А. Сверхрешетки на основе кремния (111) и твердых растворов в системе германии-кремний.- Письма ЖТФ, 1989, т.15, в.18,

с.41-44.

19. Haisler V.A., Kurochklna T.V., Moshegov N.T., Stenin S.I., Toropov A.I., Folded acoustic phonons in GaAs-InAs super-lattices, Proc. Third Int. Symposium of Molecular beam epitaxy (October 2-7, 1989, Velico Tarnovo, Bulgaria), Sofia, 1989, p.105.

20. Гайслер B.A., Говоров A.О., Курочкина T.B., Мошегов H.Т., Стенин С.И., Торопов А.И., Шебалин А.П. Фононный спектр сверхрбшегок GaAs-InAs, ЖЭТФ, 1990, т.98, в.3(9), с.1081-1092.

21. Haisler V.A., Kurochkina Т.V., Marcov V.A., Moshegov N.T., Pchelakov O.P., SokolovL.V., Stenin S.I., Toropov A.I., Shebanln A. P. Synthesis and Ranan investigation of strained superlattices. Abstracts Fifth Int. Conf. on Superlattices and microstructures (August 13-16, 1990,Berlin) p. Tu-Po-9.

22. Haisler V.A., Govorov A.O., Kurochkina T.V., Moshegov N.T., Stenin S. I., Toropov A. I., Shebanin A.'P. Raman scattering in GaAs-InAs superlattices, Proc. 20th Int. Conf. on Physics of semicondductors (Aug. 6-10,1990, Thessaloniki, Greece), 1990, vol.2, p.1417-1420.

23. Гайслер B.A., Тэннэ Д.А., Мошегов H.T., Торопов A.M., Шеба-нин А.П., Номероцкий Н.В. Контроль периода и резкости гетерограниц полупроводниковых сверхрешеток методом комбинационного рассеяния света,- Письма в НТФ, 1991, т.17, вып.15, стр.84-88.

24. Гайслер В.А., Говоров А.О., Курочкина Т.В., Мошегов Н.Т., Стенин С.И., Торопов А,И., Шебалин А.П. Исследование фонон-ного спектра сверхрешеток GaAs-InAs, Тезисы XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (23-25 октября, 1990, Киев), изд."Наукова думка", 1990, часть 1, с.50.

25. Haisler V.A., Kurochkina T.V., Govorov A.O., Marcov V.A., Moshegov N.T.. Pchelacov O.P., Sokolov L.V., Stenin S.I., Toropov A.I., Shebanin A.P. Synthesis and Raman investigation of strained superlattices, Superlattices and Microstructures, 1991, v.10, n.3, p.279-283.

26. Shields A.J., Trallero-Giner C., Cardona M., Haisler V.A., Tenne D.A., Moshegov N.T., and Toropov A.1. Electric field effects on resonant Raman spectroscopy of quantum wells. -

Proceedings of the XIII International Conference on Raman Spectroscopy, Wurzburg, Germany, 1992, p.858-859.

27. Shields A.J., Trallero-Giner C., Cardona M., GrahnH.T., Ploog K., ; Haisler V.A., Tenne D.A., Moshegov N.T., and To-ropov A.1. Resonant Raman scattering in GaAs/AlAs superlattices under electrica fields. - Phys.Rev.B, 1992, v.46, №11, p.6990-7001,

28. Haisler V.A., Tenne D.A., Govorov A.O., Moshegov N.T., Ba-karov A.K., Toropov А.1., and Shebanin A.P. Raman study of electron-phonon interaction in GaAs/AlAs superlattices. Abstr. 1st Int. Conf. on Physics of low Dimensional structures, Chernogolovka, 1993, p.84.

29. Гайслер В.А., Тэннэ Д.А., Говоров A.О., Моиегов Н.Т., Торо-пов А.И., Шебанин А.П. Особенности комбинационного рассеяния света в структурах GaAs/AlAs со спаренными квантовыми ямами - Письма в ЖЭТФ, 1993, Т.57, вып.1, стр. 51-54.

30. Гайслер В.А., Таннз Д.А., Говоров А.О., Бакаров А.К., Торо-пов А.И., Шебанин А.П. Комбинационное рассеяние света на L0 фононах в сверхрешетках GaAs/AlAs со сверхтонкими слоями AlAs. - Письма в ЖЭТФ, 1993, т.57, вып.4, стр. 222-224.

31. Shields A.J., Haisler V.A., Trallero-Giner С., Cardona М. Fröhlich exciton-phonon interaction in Quantum wells: Resonant Raman Spectroscopy under electric fields. NATO ASI Series, "Phonon in Semiconductor Nanostructures" ed. by J.P.leburton, J.Pascual and C.Sotomayor Tores, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1993, v.236, p.233-241.

32. Tenne D.A., Haisler V.A., Govorov A.O., Moshegov N.T., Ba-karov A.K., Toropov A.I., and Shebanin A.P. Specific features of Raman scattering in GaAs/AlAs coupled quantum wells and superlattices with ultrathin AlAs layers. - Proceedings of the XIV International Conference on Raman Spectroscopy, Hong Kong 1994, p.121-122. '

33. Haisler V.A., Tenne D.A., Govorov A.O., Moshegov N.T., Ba-karov A.K., Toropov A.1., and Shebanin A.P. Raman study of electron-phonon interaction in GaAs/AlAs superlattices and quantum wells. - Physics of low-dimensional structures, 1994, WO, p. 1-7.

34. Tenne D.A., Haisler V.A., Moshegov N.T., Toropov A.I., Ma-

rakhovka I.I., and Shebanin A.P. Confined AlAs LO phonons in GaAs/AlAs superlattices. - Proc. 22nd Int. Symposium on Compound Semiconductors (28 Aug.- 2 Sept.,1995, Cheju Island, Korea), 1995, p.102.

35. Гайслер В.А., Тэннэ Д.А., Моиегов H.T., Торопов А.И., Мара-ховка И.И., Шебанин А.П. Локализованные оптические фононы в слоях AlAs сверхрешеток GaAs/AlAs. - Письма в ЖЭТФ, 1995, т.61, вып.5, стр. 371-374.

Список цитируемой литературы:

1. Colvard С., Gant Т.A., Klein M.V., Merlin R., Fischer R., Morkoc H, and Gossard A.C. Folded acoustic and quantized optic phonons in (GaAl)As superlattices. - Phys.Rev.B, 1085, v.31, №4, p.2680-2091.

2. Байрамов Б.Х., Гант Т., Деланей М., Китаев Ю.Э., Клейн М.В., Леви Д., Моркоч X., Эварестов Р.А., Рассеяние света оптическими фононами, плененными в пределах слоя AlAs в сверхрешетке (GaAs)m(AlAs) п,- Письма в ЖЭТФ,1989,т.50, B.1, с.32-35.

3. Wang Z.P., Jiang D.S., and Ploog К. Raman, scattering of (GaAs)n(AlAs) n superlattices. - Solid State Corraiun., 1988, v.65, №7, p.661-663.

4. Mowbray D.J., Cardona M., and Ploog K. Confined LO phonons in GaAs/AlAs superlattices. - Phys.Rev.B, 1991, v.43, Ж, p. 1598-1603.

5. Pusep Yu.A., Milekhin A.G., Mqshegov N.T. et al, A study of the vertical transport of electrons in GaAs/AlAs superlattices by Fourier transform infrared spectroscopy.-J.Phys.Condens.Matter , 1994, n.6, p.93-100.

6. Baroni S.Giannozzi P., and Molinari E. Phonon spectra of ultrathin GaAs/AlAs superlattices: an ab Initio calculation. -Phys.Rev.B, 1990, v.41, KS6, p.3870-3873.

7. Molinari E., Baroni S., Giannozzi P., and de Gironcoli S. Effects of disorder on the Raman spectra of GaAs/AlAs superlattices. - Phys.Rev.B, 1992, v.45, Ш, p.4280-4288.

8. Jusserand B..Alexandre F., Paquet D., Guy Le Roux, Raman scattering characterization of interface broadening in

QaAs/AlAs short period superlattices grown by molecular beam epitaxy.- Appl.Phys.Lett. 1985, v.47, n.3, p.301-303.

9. Samson B., Dumelow T., Hamilton A.A., Parker T.J., Smith S.R.P., Tilley D.R., Foxon C.T., Hilton D., and Moore K.J., Effects of interface broadening on far-infrared and Raman spectra of GaAs/AlAs superlattices.-Phys.Rev.B 1992, V.46, n.4, p.2375-2392.

OraeuaTaHO Ha poTanpmTe HHCTrryTa Kaaaji*3a CO PAH, HoBOCKÖxpCK 90.

noflnacaHO b nevaTi» 11.04.96 nei.jiKCTOB

3aKft3 N1 58

?opMaT 60x84/ T«pa* 120