Введение к работе
Актуальность темы. Прошедшее десятилетие в физике и технологии полупроводников было отмечено интенсивным развитием и исследованием полупроводниковых сверхрешеток. Высказанная около 30 лет назад идея искуственного создания периодических структур, обладающих необычными электронными и оптическими свойствами, не реализуемыми в природных веществах, получила жизнь одновременно с широким применением и совершенствованием технологии выращивания тонких пленок методом молекулярно-лучевой эпитаксии. В настоящее время уже накоплен большой экспериментальный материал, позволивший обнаружить и интерпретировать ряд интересных физических явлений. Это открывает новые возможности для приборных применений сверхрешеток (СР), в которых важную роль играют квантовомеханические эффекты. Наряду с экспериментальными работами развивались различные аналитические модели, позволившие дать теоретическое описание физических явлений, свойственнных электронной системе сверхрешвток. Исследование особенностей колебательных возбуждений в сверхрешетках было проведено несколько позднее. Первые работы, посвященные этому вопросу, появились в конце 70-х годов, а исследовательским инструментом стало комбинационное рассеяние света (КРО).
С помощью комбинационного рассеяния света можно определить многие фундаментальные параметры динамической системы: энергию, время жизни, симметрию колебательных состояний. Частота и полуширина спектральных линий несет информацию о напряжениях, плотности дислокаций и разупорядоченности образующих сверхрешетку полупроводниковых материалов. Применение этого метода для подобных исследований, в основном, ограничивается большими экспериментальными трудностями получения спектров от тонких пленок. Использование мощных лазеров для возбуждения и чувствительной системы счета фотонов для регистрации света позволяет преодолеть эти трудности и открывает широкие возможности исследования столь "деликатных" структур бесконтактным и неразрушающим способом. '
диссертационная работа посвящена изучению ранее не
ИССЛеДОВаННЫХ СВерхреШеТОК На ОСНОВе ПОЛУПРОВОДНИКОВ GaAs И InAs,
представляющих собой образец сильно напряженной системы. Эти
сверхрешетки принадлежат к тому же типу (то есть энергетический рельеф вдоль оси роста или оси сверхрешетки идентичен), что и ранее синтезированные сверхрешетки GaAs-AiAs, к настоящему времени наиболее исследованные. Это свойство, наряду со сходством электрооптических и механических параметров составляющих материалов создает предпосылки для качественного и количественного сравнения характеристик этих структур. Вместе с тем, СР GaAs-inAs имеют существенное отличие, которое видоизменяет условия формирования фононов в СР и приводит к появлению некоторых дополнительных особенностей в спектрах КРС. Речь идет о механических напряжениях, игравдих немаловажную роль в
Преобразовании ДИСПерСИОННОЙ КарТИНЫ СР СИСТеМЫ GaAs-inAs.
Для этой системы большая разница в постоянных решетки двух материалов (порядка 7%) приводит к тому, что слои испытывают сильное механическое напряжение, которое в ряде случаев, в частности, при превышении критической толщины слоя, вызывает срыв псевдоморфного роста и нарушение качества растущей структуры. Для того, чтобы исследовать совершенные образцы, в качестве объектов были выбраны сверхрешетки, выращенные на подложке одного из
ПОЛУПРОВОДНИКОВ (GaAB ИЛИ InAs) ориентации (100), Структуру
которых составляли регулярно чередующиеся слои произвольной толщины одноименного с подложкой полупроводника с тонкими (1-2 мономолекулярных слоя) слоями другого полупроводника. В этом случав можно считать, что механические напряжения сосредоточены только в тонком слое, а толстый остается недеформированным.
Таким образом, исследование комбинационного рассеяния света в ранее не изученной сверхрешеточной системе, имеющей особое взаиморасположение дисперсионных ветвей и имеющей необычное весовое сочетание композиционных полупроводников представляется весьма актуальным для получения новых знаний о природе веществ.
Целью данной работы является исследование особенностей комбинационного рассеяния света на продольных фононах в сверхрешетках на основе полупроводников GaAs-inAs, кристаллический мотив которых содержит один или два чужеродных атома, а также выяснение особенностей локализации фононов в сверхтонких слоях сильно напряженных полупроводников, окруженных материалом с большей или меньшей по отношению к рассматриваемому слою атомной
массой.
На _завдту выносятся:
1. Результаты экспериментального исследования комбинационного
рассеяния света в сверхрешетках двух видов, созданных на подложках
GaAs И ІпАз, ПерИОД КОТОрЫХ МОЖНО ПреДСТЭВИТЬ КЭК (GaAs)m(InAs)2 И
(inAs)m(GaAs)2, где индексы m и 2 обозначают количество мономолекулярных слоев соответствующего полупроводника, m составляет от 6 до 30 монослоев.
2. Интерпретация спектральных особенностей и построение
теоретической модели, в основе которой использован расчет динамики
линейной цепочки атомов, имитирующей соответствующую сверхрешетку,
позволивший получить хорошее согласование с экспериментальными
данными и предсказать появление колебаний нового типа
ЛОКаЛИЗОВаННЫХ В СЛОЄ GaAs СР (InAs)m(GaAs)2, ЭКуСТИЧвСКИХ
фононов, невозможных в других сверхрешетках.
3. Использование метода КРС для определения величины механических
напряжений слоев и учет этой величины при сопоставлении расчетных
и экспериментальных результатов, позволивший сделать вывод о
перенормировке частоты оптических фононов, локализованных в слое
GaAs СР (InAs)m(GaAs)2, В ЗЭВИСИМОСТИ ОТ ТОЛЩИНЫ ЭТОГО СЛОЯ И
степени напряженности кристаллической структуры, а также изменении
УСЛОВИЙ Локализации фОНОНОВ В СЛ0Є GaAs СР (GaAs)m(InAs)2.
приводящее к частичному проникновению колебаний в соседний слой
InAs.
4. Обнаруженное изменение условий запрета рассеяния на
акустических фононах четного порядка в сверхрешетках, с периодом,
образованным чередующимися полкпроводниками, толщины которых
отличаются в несколько раз, которое выразилось в одновременном
наблюдении в спектрах КРС рассеяния на четных и нечетных свернутых
акустических фононах, затухание интенсивности которых слабо
зависело от порядка свертки дисперсионной ветви. Построенная по
экспериментальным данным дисперсионная зависимость показала
хорошее совпадение с дисперсионной зависимостью .полученной по
результатам раССеЯНИЯ ХОЛОДНЫХ НеЙТрОНОВ ОбЪеМНОГО GaAs.
5. Методика использования спектроскопии КРС для определения
периода сверхрешеток с точностью „0.5а по спектрам рассеяния на
акустических фононах.
Научная новизна_работы. Основные экспериментальные данные получены впервые. Исследована новая система сверхрешеток GaAe-inAs. Проведена регистрация и интерпретация спектральных особенностей рассеянного света как в области частот акустических фононов, так и в диапазоне оптических колебаний.
Выбор в качестве объекта исследования сверхрешеток с большим соотношением толщин слоев смежных полупроводников позволил обнаружить новые свойства рассеяния на колебательных возбуждениях:
- позволил одновременно зарегистрировать рассеяние на симметричных
и антисимметричных свернутых акустических модах, запрещенное в
других типах сверхрешеток;
- позволил пронаблюдать рассеяние на акустических фононах с
волновыми векторами, захватывающими большую часть диапазона
акустических колебаний объемного GaAs;
- позволил обнаружить рассеяние на фононах разной симметрии,
принадлежащих тонкому слою полупроводника с меньшей атомной массой
по сравнению с соседним слоем.
Практическая ценность представленной диссертационной работы заключается в следующем:
- предложен бесконтактный и неразрушающий метод определения
величины механических напряжений в приповерхностном слое
полупроводника, ограниченном глубиной поглощения возбуждающего
света по смещению частоты продольного оптического фонона;
- предложен метод определения периода сверхрешетки и контроля ее
совершенства по положению дублетного пика рассеяния на свернутых
акустических модах;
- для проведения прецизионных исследований на поверхности
полупроводника с высоким пространственным разрешением был создан
микрозонд к спектрометрам КРС ДФС-24 и ДФС-52
использование экспериментальных данных рассеяния на
аКуСТИЧеСКИХ фОНОНаХ В СВерХрешеТКаХ (ваАв}22<1пАз)г позволило
построить акустическую дисперсионную ветвь для продольных фононов GaAs, подтвердившую данные, полученные из экспериментов по рассеянию холодных нейтронов.
Апробация работы. Результаты, полученные в работе
докладывались на III Всесоюзной конференции по спектроскопии КРС (Душанбе,1986); IV Всесоюзной конференции по спектроскопии КРС (Ужгород,1989); III Международном симпозиуме по МВЕ (София,1989); XX Международной конференции по физике полупроводников (Салоники,1990); VI Международной школе "Новые физические проблемы в электронных материалах" (Варна,1990); V Международной конференции по сверхрешеткам (Берлин,1990); XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев,1990); на семинарах ИФП СО АН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 100 страницах (включая 25 рисунков) и списка литературы из 100 наименований.
