WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 10 Исследование наведенного одноосной деформацией линейного дихроизма в кристаллах кремния ¶ © Е.Ф. Венгер, И.Е. Матяш, Б.К. Сердега Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина (Получена 8 января 2003 г. Принята к печати 21 января 2003 г.) Методом поляризационной модуляции измерены спектральные характеристики линейного дихроизма в одноосно-деформированных образцах кремния в диапазоне краевого поглощения. Обнаружена тонкая структура спектров, связанная с участием акустических и оптических фононов в межзонных переходах под действием линейно поляризованного излучения. Из совокупности характеристик пропускания и дихроизма вычислена спектральная характеристика изменения коэффициента поглощения, содержащая фононные особенности. Проведен феноменологический анализ процесса поляризационной модуляции, из которого следует, что спектральная характеристика величины дихроизма является производной функции пропускания по коэффициенту поглощения.

1. Кристаллы кремния, относящиеся к кубической си- совершенным анализ этих параметров в используемом стеме, могут быть анизотропными и вследствие этого методе исследования, зависит его обнаружительная спопроявлять эффект линейного дихроизма только в ре- собность по отношению к тому или иному свойству материала.

зультате какого-либо направленного воздействия. Одним Это замечание приобретает особое значение при исиз таких воздействий, понижающим симметрию всего следовании наведенного дихроизма в кремнии, в котокристалла, является одноосная деформация.

ром вследствие больших значений константы деформаУместно отметить, что в реальных кристаллах в реционного потенциала наблюдение эффекта и его регизультате неоднородного градиента потенциала, связаннострация традиционным способом являются проблемаго либо с температурой, либо с концентрацией легируютичными. В то же время поляризационная модуляция, щей примеси, практически всегда присутствуют упругие как один из методов дифференциальной спектроскопии, внутренние деформации, определяемые направлением остающаяся до последнего времени мало изученной, и величиной градиента потенциала [1]. Поэтому испольобладает рядом достоинств, присущих модуляционным зование эффекта линейного дихроизма, т. е. регистрация методикам. Поэтому испытание метода, успешно примеразностей спектральных зависимостей коэффициентов нявшегося ранее для исследования родственных полярипоглощения для линейно поляризованного излучения, зационных эффектов — фото- и термофотоупругости [4], в котором электрическая компонента ориентирована представляет не только методический интерес.

параллельно и перпендикулярно по отношению к наОснованием для оптимизма является тот факт, что, правлению деформации, могло бы стать методом измекак показано в работах [5,6], в спектрах электропорения и исследования в этих кристаллах величины аниглощения в кремнии наблюдаются в диапазоне малых зотропии диэлектрических свойств, создаваемых этими значений коэффициента поглощения осцилляции и немодеформациями.

нотонности, связанные с участием фононов в непрямых Что же касается кристаллов кремния, то в литературе межзонных оптических переходах. Кроме того, признаки отсутствуют сведения об этих исследованиях. Между дихроизма проявляются и в фотоэлектрических эффектем признаки дихроизма наблюдались при исследовании тах, наблюдаемых в одноосно-деформируемых кубичев кремнии электроотражения [2], что проявилось в раз- ских кристаллах. Для примера укажем на работу по личии спектральных характеристик, измеренных при обнаружениию поляризационной зависимости экситондвух ортогональных поляризациях излучения. Однако ного излучения в области непрямых переходов в Si [7] и в этой работе, как и в [3], приведены исследования собственной фотопроводимости в узкозонных полупроводниках [8].

в спектральном диапазоне прямых переходов, которые 2. Основным свойством материала, выбираемого для в кремнии находятся вдали от края фундаментального исследований, должно быть преимущественно фононное поглощения. Учитывая, что в силу особенностей зонного рассеяние носителей тока. Поэтому в качестве исслеэнергетического спектра кремния межзонные переходы дуемого объекта использованы образцы, вырезанные из в нем являются непрямыми в широком диапазоне послитка слабо легированного p-Si с удельным сопроглощения, можно ожидать проявления фононов в спективлением 200 Ом · см. Образцы имели форму прямотральной характеристике дихроизма. В самом деле, в паугольных пластин с размерами освещаемой поверхности раметрах прошедшего сквозь образец излучения должна 10 5мм2, а толщина имела значения 3, 2, 1, 0.5 мм.

содержаться информация о механизмах его взаимодейКристаллографические ориентации образцов были такоствия с образцом. Поэтому от того, насколько является вы, что направление одноосного усилия их сжатия сов¶ E-mail: serdega@isp.kiev.ua падало с одним из трех основных кристаллографических Исследование наведенного одноосной деформацией линейного дихроизма в кристаллах кремния причем азимуты электрических компонент периодически с частотой 50 кГц изменяются на 90 (рис. 1, b). Таким образом, при неизменной интенсивности падающего на образец излучения на детекторе (германиевый фотодиод) появлялся сигнал, пропорциональный разности коэффициентов пропускания для линейных поляризаций, параллельных осям оптической индикатрисы образца.

Сигнал усиливался селективным нановольтметром и регистрировался аналоговым графопостроителем.

Отметим одну особенность модулятора, которая заключается в возможности его вращения относительно оптической оси. Поскольку состояния поляризации излучения, выходящего из модулятора, являются определенным образом связанными с его азимутальным положением, то его вращением можно устанавливать заданные состояния поляризации относительно осей образца. При этом становится возможной идентификация исследуемого эффекта по признаку параллельности электрических компонент волны осям образца. Тем самым становится возможным контролировать в измеряемом сигнале отРис. 1. Блок-схема оптической установки (a) и схема опысутствие паразитных составляющих, связанных, наприта (b): 1 —источник света (галогеновая лампа), 2 —монохромер, с проявлением френелевских условий неортогоматор, 3 —поляризатор, 4 — ромб Френеля, 5 — фотоупругий нального падения света на образец или с несовершенмодулятор поляризации, 6 — образец в устройстве для сжатия, ством оптических элементов.

7 — фотодетектор.

Измерялись разности спектральных характеристик пропускания для линейно поляризованного излучения, когда электрические компоненты волны параллельны направлений — [100], [110] и [111]. Обработка поверхоптическим осям образца (дифференциальные характеностей образцов обеспечивала постоянство оптической ристики), в зависимости от энергии квантов излучения, длины хода для всех лучей и минимальное их рассеяние.

от толщины образцов в направлении распространения Сжатие образцов производилось в устройстве, котоизлучения и от величины деформации образцов. Все рое отличалось от типичных для таких исследований измерения проводились при комнатной температуре.

приспособлений только тем, что в нем с помощью 3. Напомним, что при одноосной деформации образполупроводникового датчика силы на основе эффекта цов кремния вдоль кристаллографического направлепоперечной тензоэдс измерялась величина механическония [111] происходит расщепление вырожденных в ценго напряжения.

тре зоны Бриллюэна уровней энергии валентной зоны, Источником света с изменяющейся длиной волны слуа вдоль направлений [110] и [100] — уровней энергии жил дифракционный монохроматор МДР-12, на входе зоны проводимости. Снятие вырождения при сжатии которого устанавливалась галогенная лампа КГМ-150.

сопровождается изменением ширины запрещенной зоТакая система позволяла обеспечивать в используемом ны [10] и, следовательно, изменением, в сторону уведиапазоне длин волн постоянный поток фотонов на личения, коэффициента поглощения в случае неполяриуровне 1015 см-2 с-1. Особенностью оптической схемы зованного излучения [11].

установки, изображенной на рис. 1, a, является использоПри использовании поляризованного излучения ситувание в ней модулятора поляризации. Этот элемент схеация усложняется. Поскольку энергетические состояния мы представляет собой динамическую фазовую пластинв валентной зоне перемешиваются (в частности, зоны V+ ку [9], функционирование которой основано на фотои V- меняются местами в направлениях, перпендикуупругом эффекте. В качестве ее используется пластинка лярных направлению деформации), изменяются правила из плавленого кварца — изотропного вещества, анизоотбора для межзонных переходов, возбуждаемых потропия диэлектрических свойств в котором создавалась ляризованным излучением [12]. Так, для переходов из знакопеременной деформацией сжатия–растяжения. Это зоны V+ разрешенными являются переходы, возбуждаедостигалось тем, что пластинка возбуждалась на частоте мые обоими состояними поляризации. Что же касается собственных колебаний звуковой стоячей волной от зоны V-, то переходы из нее являются разрешенными резонатора из кристаллического кварца, находящегося только для поляризаций, перпендикулярных направлепод действием переменного электрического напряжения.

нию сжатия. В этом состоит природа линейного дихроПри определенных его значениях фазовая пластинка на протяжении периода колебаний дважды становится чет- изма, т. е. причина появления разности в значениях ковертьволновой, и тогда циркулярная поляризация вход- эффициентов поглощения в одноосно-деформированных ного излучения преобразуется в линейную на выходе, кубических прямозонных кристаллах.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1190 Е.Ф. Венгер, И.Е. Матяш, Б.К. Сердега ной характеристики пропускания (кривая 1 на рис. 2), которая могла бы быть получена -модуляцией. Действительно, можно ожидать, что вследствие одноосной деформации характеристика пропускания, единственная для изотропного случая, расщепляется на две. При этом каждая из них относится к определенному состоянию поляризации — параллельному или перпендикулярному оси сжатия. И тогда регистрируемая с помощью поляризационной модуляции максимальная разность амплитуд между ними будет иметь место в области наибольшей крутизны кривой 1. Однако, как следует из рис. 3, где изображено семейство спектральных характеристик дихроизма в образце иной ориентации, это не совсем так. Видно, как сильно отличаются дифференциальные Рис. 2. Зависимости пропускания (1) и его изменения, характеристики, хотя их характеристики пропускания вызванного деформацией (2), от энергии квантов падающего практически одинаковы. Заметим при этом, что, как излучения для образца толщиной 0.38 мм, деформированного и предполагалось, величина дихроизма оказалась нав направлении [110] усилием в 3 кбар.

столько малой при использованных нами значениях механического напряжения, что в приведенном масштабе характеристики коэффициента пропускания для ортогональных поляризаций практически сливаются в одну линию. Поэтому представлениям о различии величин пропускания T и его приращения T свидетельствуют данные, приведенные на осях ординат на рис. 2.

Как на одном рисунке, так и на другом, в спектральных характеристиках дихроизма четко просматриваются протяженные линейные участки, соединенные перегибами. Их аппроксимация до пересечения между собой соседних участков позволяет обнаружить некоторые закономерности в их величине и месте расположения. Так, протяженность первого линейного участка совпадает с точностью до 1 мэВ со значением энергии связи экситона, приведенным в работе [13]. Следующий участок отличается наклоном, но его протяженность Рис. 3. Зависимости изменения пропускания от энергии кванравна двум значениям энергии связи экситона. Отметим, тов падающего поляризационно-модулированного излучения что аналогичная интерпретация приводится в трактовке при различных величинах одноосного механического напряжеспектров электропоглощения образцов кремния в том ния, кбар: 1 —4, 2 —2, 3 — 1. Толщина образца 0.5 мм, же диапазоне энергий, приведенных в работе [6]. Наориентация [100].

конец, третий участок прямолинейной характеристики, расположенный между значениями энергий 1.и 1.109 эВ, превосходно согласуется с удвоенным значеВ кристаллах кремния ситуация усложняется за счет нием энергии поперечного акустического (ТА) фонона, многодолинного энергетического спектра зоны провоприведенным в [14]. Анализ спектральных характеристик димости, что является причиной непрямых переходов, на рис. 3 проиллюстрирован обработкой только одной а также ориентационной зависимости их вероятностей кривой 1. Однако рассмотрение по такой же методике в случае одноосной деформации. Именно эти два обостальных двух кривых показывает, что энергетичестоятельства проявляются, как видно из приведенных ское положение точек пересечения линейных участков рис. 2 и 3, в существенном различии дифференциальных сохраняется при изменении величины приложенного характеристик пропускания образцов кремния, ориентиусилия. Более того, эта же независимость сохраняется рованных вдоль различных кристаллографических осей.

и при изменении толщины образцов. В этом случае Однако общим при всем том является тонкая структура происходит смещение по шкале энергии характеристики характеристик, проявляющаяся в сложной и немонотон- пропускания, изменяется вследствие этого соотношение ной форме полосы дихроизма в случае ориентации [110] между экстремумами дифференциальной характеристи(рис. 2) и даже наличии двух полос в образцах с ори- ки для ориентации [100] или их абсолютное значение для ентацией [100] (рис. 3). Обращает на себя внимание ориентаций [110] и [111]. Однако как положение самих также то обстоятельство, что кривая 2 на рис. 2 яв- экстремумов, так и положение фононных особенностей ляется в первом приближении производной спектраль- остаются фиксированными.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Исследование наведенного одноосной деформацией линейного дихроизма в кристаллах кремния 4. Не вызывает сомнения, что обнаруженные особенности дифференциальных спектральных характеристик связаны с теми особенностями энергетического спектра, которые присущи кристаллам кремния. Главная из них заключается в многодолинности зоны проводимости, что приводит прежде всего к пространственной зависимости спектральных характеристик эффекта дихроизма. Для обоснования этой связи проделаем качественное рассмотрение процесса измерения.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.