WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 7 Спектры резонансного рамановского рассеяния в структуре ZnCdSe / ZnSe с квантовой ямой и открытыми нанопроволоками © В.Х. Кайбышев, В.В. Травников, В.Ю. Давыдов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: travn@spectr.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 1 июля 2002 г.

В окончательной редакции 23 декабря 2002 г.) При T = 300 K исследованы спектры резонансного рамановского рассеяния (РР) в образце ZnCdSe / ZnSe, в котором одновременно присутствуют одиночная квантовая яма и открытые нанопроволоки, изготовленные на ее основе. Энергии продольных оптических (LO) фононов, принимающих участие в формировании наблюдаемых спектров, в области квантовой ямы и в области образца с нанопроволоками заметно различаются.

Выполнен расчет энергии LO-фононов в исследованных структурах с учетом влияния композиционного эффекта (введение Cd в ZnSe) и эффекта биаксиального напряжения. Показано, что при возбуждении в области экситонного резонанса РР происходит через свободные (протяженные) экситонные состояния на LO-фононах напряженного слоя ZnCdSe с конечными волновыми векторами вблизи центра зоны Бриллюэна.

При возбуждении ниже экситонного резонанса слоя ZnCdSe заметный вклад в наблюдаемые линии РР вносят процессы резонансного рассеяния через состояния локализованных экситонов. В таких процессах рассеяния за счет конечных размеров локализованного состояния принимают участие фононы с большими волновыми векторами. При возбуждении в экситонной области толстых слоев барьера наблюдаемые линии PP формируются за счет рассеяния на фононах барьера ZnSe.

Рамановское рассеяние (РР) является основным ме- зывали с рассеянием на фононах барьера (ZnSe). Оттодом исследования спектра решеточных колебаний части это, по-видимому, было связано с отсутствием в квантово-размерных структурах. В большинстве таких количественного анализа фононных спектров, который структур одна из составляющих (либо яма, либо барьер) бы одновременно учитывал композиционный эффект образована бинарным соединением, а вторая форми- и эффект влияния напряжения. В данной работе выполруется добавлением к двойному соединению третьей нено исследование спектров РР как при возбуждении компоненты. Добавление третьей компоненты приводит в области экситонных переходов барьера ZnSe, так к изменению частот фононов в тройном соединении и при возбуждении в экситонной области ям и проволок (композиционный эффект) по сравнению с исходным ZnCdSe. Полученные экспериментальные результаты собинарным соединением. Характерные фононные энергии поставлены с теоретическими оценками характерных могут также меняться и за счет напряжения, которое фононных энергий, которые выполнены с учетом как может возникать как вследствие различия постоянных композиционного эффекта, так и эффекта влияния нарешетки в составляющих квантово-размерных структур, пряжений.

так и вследствие отличия этих постоянных от постоянной решетки подложки. При малых концентрациях 1. Эксперимент третьей компоненты в тройных твердых растворах частоты фононов в материале барьера и ямы оказываются Исходные структуры ZnCdSe / ZnSe с одиночной кванблизкими, и это заметно усложняет анализ наблюдаемых товой ямой выращены на подложке GaAs (100) методом спектров РР. Интерпретация фононных состояний, котомолекулярно-пучковой эпитаксии. В этих структурах рые участвуют в формировании спектров, усложняется квантовая яма толщиной 5 nm с 13% содержанием и тем, что влияния композиционного эффекта и эффекта Cd находится между буферным (25 nm) и верхним напряжения могут частично компенсировать друг друга и сближать характерные фононные энергии слоев бинар- (20 nm) слоями барьеров ZnSe. На части поверхности исходных образцов методом интерференционной литоного соединения и тройного твердого раствора.

графии с последующим реактивным ионным травлением Данная работа посвящена исследованию спектров создавались одномерные структуры (нанопроволоки) [5].

резонансного РР в квантово-размерной структуре Травление осуществлялось практически до подложки ZnCdSe / ZnSe. Исследованию РР в этих структурах посвящено значительное число работ (см., напри- GaAs. Период в исследованной одномерной структуре мер, [1–4]). Однако интерпретация наблюдаемых спек- составлял 260 nm, а поперечная ширина проволок равтров в силу указанных выше причин носила доволь- нялась L 70 nm. Для указанных ширин проволок влино противоречивый характер. В ряде работ линии РР яние одномерного квантования на экситонные спектры приписывали рассеянию на фононах материала ямы несущественно [1], поэтому для полученных одномерных (ZnCdSe), в других работах аналогичные линии свя- структур мы используем термин „нанопроволоки“. Ось 1312 В.Х. Кайбышев, В.В. Травников, В.Ю. Давыдов Рис. 1. Спектры рамановского рассеяния, полученные в области образца с нанопроволоками (a) и в области образца с квантовыми ямами (b) при возбуждении лазерными линиями 476.5 (1), 457.9 (2) и 488.0 nm (3). T = 300 K.

проволок была ориентирована вдоль направления [011]. соответствует LO-фононам в исследованных структурах;

Наличие на поверхности образцов как протравленных в дальнейшем будем называть ее LO-линией.

областей с нанопроволоками (НП), так и исходных На рис. 1, a представлены спектры РР участка обнепротравленных областей с квантовыми ямами (КЯ) разца с НП для двух линий лазерного возбуждения предоставляло возможность сопоставления свойств НП 457.9 и 476.5 nm. При возбуждении линией 476.5 nm и КЯ.

(спектр 1) линии рассеяния расположены на фоне широВозбуждение РР осуществлялось линиями 457.9, 476.5 кой полосы люминесценции, обозначенной квадратами.

и 488.0 nm Ar+-лазера. Исследования выполнялись при Эта полоса соответствует излучению основного эксикомнатной температуре. Регистрация рассеяния прово- тонного состояния НП ZnCdSe E1H (тяжелый экситон).

дилась в геометрии z (yy)z (ось z совпадает с на- По положению максимума полосы люминесценции (при правлением роста, перпендикулярным плоскости ямы, возбуждении выше края зоны ZnSe), а также с учеа ось y направлена вдоль оси проволок). Спектральное том положения максимума в спектре отражения мы разрешение составляло величину 0.5cm-1. оценили энергию резонанса E1H в НП как 2.570 eV (энергия резонанса E1H в яме меньше указанной энергии на 4meV [8]). Возбуждение линией 457.9 nm 2. Экспериментальные результаты (2.707 eV) соответствует энергетической области основного экситонного состояния барьера ZnSe, положение В спектрах РР наших структур для всех использован- которого при T = 300 K оценено нами как 2.70 eV.

ных лазерных линий при возбуждении как в областях Из рис. 1, a видно, что LO-линия при возбуждении образца с КЯ, так и в областях с НП (рис. 1, 2) присут- в области экситонного резонанса ZnSe (спектр 2) смествуют две основные линии. Положение линии в области щается в сторону больших энергий по сравнению со 290 cm-1 остается неизменным для всех исследованных случаем возбуждения в области резонанса материала спектров. Изменение энергии возбуждения или иссле- ZnCdSe. При возбуждении теми же лазерными линиями дуемого участка образца приводило лишь к изменению (457.9 и 476.5 nm) в области образца с КЯ наблюдается интенсивности этой линии. Исходя из энергетического аналогичный сдвиг LO-линии, но его величина заметно положения, данную линию можно связать с РР на про- меньше (спектры 1 и 2 на рис. 1, b). При возбуждении дольных оптических (LO) фононах подложки GaAs [6]. линией 488.0 nm в области ниже основного экситонного Положение максимума второй линии в обла- состояния материала ZnCdSe происходит дальнейший сдвиг максимума LO-линии в сторону меньших энергий сти 250 cm-1 зависит как от энергии возбуждения, (спектр 3 на рис. 1, b). При этом LO-линия заметно так и от исследуемой области образца (КЯ или НП). По уширяется, причем уширение носит асимметричный своему энергетическому положению эта линия близка к энергии LO-фононов в материале барьера ZnSe и в ма- характер: сильнее увеличивается низкочастотное крыло териале ямы ZnCdSe [1–4,7]. Априори невозможно опре- этой линии.

делить, к какой составляющей структуры ZnCdSe / ZnSe На рис. 2 сопоставлены спектры РР, полученные при относится данная линия, однако несомненно, что она возбуждении линией 476.5 nm от области образца с КЯ Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Спектры резонансного рамановского рассеяния в структуре ZnCdSe / ZnSe с квантовой ямой... Общая толщина слоев ZnCdSe и ZnSe в нашей структуре равна 50 nm. Это значение много меньше толщины когерентного роста в системе ZnSe / GaAs ( 1000 nm [11]). В результате слои ZnCdSe и ZnSe оказываются биаксиально напряженными, сжатыми в плоскости xy, поскольку постоянная решетки толстой подложки GaAs (0.5653 nm) заметно меньше постоянных решетки Zn0.87Cd0.13Se (0.5721 nm) и ZnSe (0.5668 nm).

Используя формулы из работы [12], мы оценили энергию LO-фононов биаксиально напряженного твердого раствора Zn0.87Cd0.13Se. Как видно из правой части рис. 3, биаксиальное напряжение приводит к увеличению энергии LO-фонона и к его дублетному расщеплению. Уровни с наибольшей энергией в таких дублетах соответствуют LO-фононам с волновыми векторами вдоль оси z (штриховые линии на рис. 3). Для слоев ZnSe характер сдвига и расщепления фононных уровней аналогичен Рис. 2. Спектры рамановского рассеяния, полученные при имеющему место в слоях ZnCdSe, однако соответствуювозбуждении линией 476.5 nm от областей образца с квантовой щие величины существенно меньше (рис. 3), поскольку ямой (1) и с нанопроволоками (2). T = 300 K.

различие в постоянных решетки между ZnSe и GaAs меньше, чем между GaAs и ZnCdSe.

Представленные на рис. 3 результаты показывают, что „красный“ сдвиг фононных уровней (относительно (спектр 1) и от области образца с НП (спектр 2). Из исходного материала ZnSe) за счет композиционного рисунка видно, что при этом возбуждении LO-линия, соэффекта в слоях ZnCdSe в значительной степени комответствующая области образца с НП, заметно смещена пенсируется „голубым“ сдвигом, возникающим вследв длинноволновую сторону относительно ее положения ствие воздействия биаксиального напряжения. В резульв области с КЯ.

тате энергии фононов в слоях ZnCdSe оказываются довольно близкими к фононным энергиям объемного 3. Оценка энергий продольных материала ZnSe. Такая близость является, по-видимому, оптических фононов причиной того, что в ряде работ процессы рассеяния, протекающие в материале ямы, приписывались взаимов исследованных структурах действию с фононами материала барьера (см., например, [4]).

Спектр фононов в исследованных структурах может отличаться от фононного спектра объемного материала ZnSe в силу нескольких факторов: влияния композиционного эффекта, влияния эффекта напряжения и, наконец, влияния размерного квантования.

Анализ, выполненный в [1], показывает, что в наших структурах с толщиной ямы 5 nm влиянием размерного квантования на спектр фононных мод можно пренебречь.

Количественный анализ влияния композиционного эффекта и эффекта напряжения на энергию оптических фононов в исследованных структурах выполнен нами в [8,9]. На рис. 3 представлены результаты оценки уровней энергии основной продольной LO-моды при комнатной температуре для недеформированных и биаксиально напряженных кристаллов ZnSe и Zn0.87Cd0.13Se.

Значение энергии LO-фонона исходного материала ZnSe, приведенное на рис. 3, соответствует значению энергии LO-моды, полученному из измеренных нами при комнатРис. 3. Энергия LO-фононов в недеформированных (сленой температуре спектров РР в объемном образце ZnSe.

ва) и биаксиально напряженных (справа) кристаллах ZnSe Энергия LO-моды для ненапряженного твердого раствои Zn0.87Cd0.13Se. T = 300 K. Штриховыми линиями показаны ра Zn0.87Cd0.13Se вычислена по формулам работы [10].

уровни, соответствующие фононам с волновыми векторами Необходимые для расчета данные взяты из [7].

вдоль оси z.

11 Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 1314 В.Х. Кайбышев, В.В. Травников, В.Ю. Давыдов 4. Обсуждение играют дополнительные процессы упругого рассеяния.

Упругие процессы при возбуждении в области выше Вклад в наблюдаемые спектры РР могут вносить резонанса приводят к участию в рассеянии дополнителькак рассеяние, происходящее в материале барьера, так ных промежуточных состояний — реальных экситони рассеяние в материале ямы. Интенсивность рассеяных состояний с большими волновыми векторами. Это ния пропорциональна рассеивающему объему. В наших является причиной сильного увеличения вероятности структурах объем материала барьера ZnSe существенно РР [14]. В структурах с КЯ дополнительные упругие превышает объем материала ямы. При возбуждении процессы в существенной степени связаны с процессами вдали от резонансов материала ямы этот фактор может рассеяния на шероховатостях границ раздела [8,13].

приводить к преобладающему вкладу в наблюдаемые Шероховатости могут быть описаны набором „векторов спектры РР процессов рассеяния в материале барьера шероховатостей“ в плоскости ямы (kxy ) [15]. Вследствие и как следствие к проявлению в спектрах РР фононов этого выполнение закона сохранения волнового вектора барьера. Однако наиболее часто используемые для исв процессе РР приводит к участию в процессе рассеяследования РР линии Ar+-лазера в той или иной степени ния экситонов и фононов с волновыми векторами kxy.

оказываются вблизи экситонных резонансов структуры LO-фононы с волновыми векторами kxy соответствуZnCdSe / ZnSe. Учет положения возбуждающих линий ют низкоэнергетической компоненте фононного дублета относительно экситонных резонансов является принцив напряженном ZnCdSe (рис. 3). Энергия этой компоненпиально важным фактором при анализе обнаруженной ты меньше энергии LO-фонона напряженного слоя ZnSe, изменчивости спектров РР.

что находится в согласии с экспериментом (рис. 1).

Возбуждение линией 457.9 nm находится в энергетиСледует отметить, что в силу конечных значений волческой области вблизи экситонного резонанса материала новых векторов LO-фононов, участвующих в рассматбарьера ZnSe (см. выше). В этом случае как в рериваемом процессе РР, энергии этих фононов должны зультате выполнения резонансных условий возбуждения, быть сдвинуты в красную сторону относительно их так и вследствие большего объема материала барьера значений при kxy = 0 [16]. Однако величина соответствунаблюдаемые спектры РР несомненно должны быть ющего сдвига невелика. Наши оценки, основанные на обусловлены процессами рассеяния в материале ZnSe.

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.