WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 9 Длинноволновая ИК спектроскопия сверхрешеток ZnTe/CdTe с квантовыми точками © Л.К. Водопьянов, С.П. Козырев, Г. Карчевски Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 119991 Москва, Россия Институт физики Польской академии наук, 02-668 Варшава, Польша (Поступила в Редакцию 17 января 2003 г.) Представлены результаты анализа спектров решеточного ИК отражения от многопериодных сверхрешеток ZnTe/CdTe с квантовыми точками CdTe, выращенными методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложке GaAs с буферным слоем CdTe. Показано, что спектры изучаемых структур характеризуются тремя интенсивными полосами отражения, связанными с колебательными возбуждениями в подложке GaAs, в потенциальных барьерах ZnTe и в буферном слое CdTe. Анализ каждой из обнаруженных полос позволил по сдвигу фононных частот выявить наличие внутренних упругих напряжений в приповерхностном слое подложки GaAs, а также в потенциальных барьерах ZnTe. Установлена релаксация упругих напряжений в разделяющих слоях ZnTe при увеличении их толщины. Обнаружено отщепление дополнительной моды от основной полосы отражения, которую мы связываем с проявлением ZnTeподобных колебаний образовавшегося сплава ZnCdTE за счет взаимодиффузии Cd и Zn на границах раздела.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 03-02-7110).

В последнее время наблюдается заметный интерес 1. Выращивание сверхрешеток к изучению сверхрешеток (СР) на основе несогласованс квантовыми точками и измерения ных по решеточному параметру полупроводниковых материалов. В таких структурах создаются благоприятные Сверхрешетки выращивались методом молекулярноусловия для образования самоорганизующихся кванто- лучевой эпитаксии (МЛЭ) на подложке (100) GaAs вых точек (СОКТ). Много внимания уделено исследова- с толстым буферным слоем CdTe. Толщина буферного ниям СОКТ в структурах на основе Ge/Si и соединений слоя составляла около 4.5 µm. Выращенные структуры III-V (InAs/GaAs, InSb/GaSb и др.). Однако, физические состояли из 200 периодов слоев CdTe толщиной 2.5 ML свойства квантовых точек в структурах на основе полу- (ML — монослой), разделенных потенциальным барьером ZnTe толщиной 12 ML (структура B12) и 25 ML проводниковых соединений II–VI изучены относительно (структура B25). Структура с толщиной барьерного слоя мало. Впервые квантовые точки в II–VI структурах 75 ML (структура B75) была ограничена 100 периодами.

обнаружены в работе [1] из анализа спектров фотолюВыращенные структуры изучались на просвечивающем минесценции. Многослойные структуры с квантовыми электронном микроскопе JEOL 2000 с точечным разточками на основе селенидов подробно изучены в [2,3], решением 0.27 nm. Анализ изменений решеточных пагде обнаружена пространственная корреляция между раметров в направлении роста показал, что в изучаеквантовыми точками, находящимися в последовательных мых структурах наблюдаются островки CdTe диаметром слоях. Сверхрешетки с квантовыми точками на основе 6-10 nm и толщиной порядка 2 nm. Мы интерпретируем теллуридов изучались в работах [4–6]. Было обнаружено эти островки как самоорганизующиеся квантовые точки.

влияние толщины барьеров ZnTe, разделяющих слои Интересно отметить, что реальная толщина квантовых с квантовыми точками, на возникновение корреляций точек (КТ) оказывается гораздо больше, чем толщина между СОКТ, находящимися в смежных слоях. Однако, выращиваемого слоя CdTe (толщина монослоя CdTe равуказанные выше работы посвящены изучению струкна 0.324 nm; 2.5ML = 0.81 nm), что, возможно, объяснятурных и электронных (фотолюминесценция) свойств ется взаимодиффузией Cd и Zn, усиленной повышенной СОКТ. Динамика решетки таких структур, т. е. их фотемпературой роста. Полученные на ПЭМ изображения нонные свойства, насколько нам известно, практически выявили вертикальную корреляцию между островками не изучалась. Между тем анализ колебательных спекCdTe, т. е. островок в соответствующем слое располагатров СР дает прямую информацию об их физических ется над аналогичным островком в нижнем слое и т. д.

свойствах.

Причем линия, соединяющая коррелированные островВ настоящей статье представлены результаты измере- ки, наклонена под углом 40 к направлению роста.

ний и анализа спектров решеточного ИК отражения от Однако помимо коррелированных квантовых точек были сверхрешеток с квантовыми точками CdTe/ZnTe. обнаружены хаотически расположенные островки CdTe, 12 1714 Л.К. Водопьянов, С.П. Козырев, Г. Карчевски причем оба типа КТ сосуществуют в одном и том же Особенности спектров ИК-отражения в области реобразце. Наблюдаемая вертикальная корреляция СОКТ шеточных колебаний и их интерпретации для структур объясняется анизотропией упругой энергии в материале пленка/подложка для случая тонкой пленки (1-2 µm) обсуждались нами ранее [8] на примере структур матрицы (ZnTe) [7].

Zn1-xCdxSe/GaAs. Спектр отражения в этом случае Спектры длинноволнового ИК отражения регистрироимеет довольно простой вид. Основные черты такого вались на лабораторной модели вакуумного дифракционспектра относительно спектра отражения подложки в обного ИК спектрометра, а также на Фурье-спектрометре ласти ее прозрачности напоминают кривую поглощения фирмы Брукер со спектральным разрешением не хупленки и легко поддаются математической обработке же 1 cm-1.

с использованием дисперсионного анализа. Особенность интерпретации решеточных спектров изучаемых сверхрешеток связана с тем, что в состав структуры входит 2. Анализ спектров решеточного ИК толстый буферный слой CdTe (4.5 µm). В совокупотражения и обсуждение ности с толщиной сверхрешетки (в среднем 3.5 µm) результатов общая толщина структуры составляет 8 µm, что сопоставимо с глубиной проникновения возбуждающего Спектры решеточного ИК отражения при 300 K для ИК-излучения в образец. Поэтому здесь уже строго не сверхрешеток с квантовыми точками CdTE, разде- работает приближение тонкой пленки (d ) и коf ленных потенциальным барьером ZnTe толщиной 12 личественное определение дисперсионных параметров (B12) и 25 ML (B25), показаны на рис. 1, на кото- слоя CdTe весьма затруднительно.

ром представлены экспериментальные точки и сплош- Для проведения дисперсионного анализа спектров решеточного отражения сверхрешеток использовалась моными жирными линиями — расчетные спектральные дельная структура, образованная тонкой пленкой (сверхкривые. Для иллюстративных целей спектр структуры решетка и буферный слой) поверх полубесконечной B25 смещен по оси ординат R на 0.2. Спектральная подложки. В рамках такой модельной структуры для область в окрестности 270 cm-1 соответствует области пленки толщиной L с диэлектрической функцией f () решеточного отражения подложки GaAs, а особеннои подложки с диэлектрической функцией s () при сти спектров в окрестности 140 и 170 cm-1 соотнормальном падении света амплитудный коэффициент ветствуют CdTe- и ZnTe-колебаниям буферного слоя отражения (без учета многократного отражения в плени сверхрешетки. На всех кривых отражения в области ке) имеет вид [9] прозрачности подложки GaAs, буферного слоя CdTe и сверхрешетки CdTe/ZnTe наблюдаются частые осцилr1 f () +r () · exp(i2) f s r1 f s () =, (1) ляции, связанные с интерференцией на подложке GaAs 1 + r1 f () · r () · exp(i2) f s толщиной 400-500 µm. На рисунке они проявляются для частот менее 140 cm-1 и частично между модами где 1 - f () ZnTe-колебаний и областью решеточных колебаний подr1 f () =, ложки GaAs.

1 + f () f () - s () 2L f () r () = и =, f s f () + s () — длина волны. Коэффициент отражения R()=|r1 f s()|2. Учет многократного отражения в пленке на границах раздела пленка/подложка и пленка/вакуум приводит к очень громоздкому выражению для коэффициента отражения, которое не несет дополнительной информации о решеточных колебаниях в пленке кроме учета интерференционных эффектов.

Диэлектрическая функция сверхрешетки как целого SL() =f () рассматривалась в классической аддитивной форме S · i j j f () = +. (2) i j - 2 - i · · j j Рис. 1. Спектры решеточного ИК отражения для двух сверхрешеток B12 и B25, выращенных на подложке GaAs, с толщиПри расчете коэффициента отражения R() в формунами потенциальных барьеров 12 и 25 ML. 1, 2 — эксперименле для f () варьировались частота j-й TO-моды i j, ее тальные точки для B12 и B25 соответственно, 3 — расчетные спектральные кривые. сила осциллятора S и параметр затухания j.

j Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Длинноволновая ИК спектроскопия сверхрешеток ZnTe/CdTe с квантовыми точками B25 (2) и B75 (3). Сплошными жирными линиями изображены расчетные кривые, полученные из дисперсионного анализа. Для иллюстративных целей спектральные кривые смещены относительно друг друга в направлении оси ординат R. Из дисперсионного анализа установлено, что для структуры B12 с наиболее тонким барьерным слоем ZnTe-колебания характеризуются одной сильной модой t1 = 172 cm-1. Для структуры Bэнергия сильной моды повышается до t1 = 173.5cm-и появляется дополнительная мода t2 = 169 m-1. Для структуры B75, в которой слой CdTe толщиной 2.5 ML чередуется с барьерным слоем ZnTe толщиной 75 ML, ZnTe-колебания определяются двумя сравнимыми по силе модами t1 = 176 и t2 = 165 cm-1. С изменением Рис. 2. Спектры решеточного ИК отражения для трех сверх- толщины барьерного слоя значение сильной моды tрешеток B12 (1), B25 (2) и B75 (3), полученные в области изменяется от 172 до 176 cm-1 и в пределах ошибки ZnTe- и CdTe-колебаний, 4 — расчетные спектральные кривые.

измерения приближается к значению поперечной моды t = 177 cm-1 чистого ZnTe. Это означает, что в структуре B12 тонкие барьерные слои ZnTe сильно растянуты чередующимися с ними слоями CdTe и толстым Рассмотрим сначала результаты анализа формы побуферным слоем CdTe. В более тонких слоях CdTe лосы отражения подложки GaAs. Рассчитанная частонапряжения частично снимаются за счет образования та решеточной моды GaAs для подложки с осажденсамоорганизующихся квантовых точек. В структуре Bным на нее буферным слоем CdTe толщиной 4.5 µm барьерные слои уже достаточно толстые, чтобы в них равняется 267 cm-1, что на 3 cm-1 меньше значения завершилась релаксация упругих напряжений.

решеточной моды объемного кристалла GaAs, а параМоду 169 cm-1 для структуры B25, переходящую метр затухания для этой моды равен 8 cm-1. Для в моду 165 cm-1 для структуры B75, мы связываем сравнения для подложки GaAs с осажденным на нее с модой сплава ZnCdTe, образующегося на границах слоем ZnSe частота решеточной моды GaAs равняется раздела слоев в результате взаимодиффузии Cd и Zn.

269 cm-1, а параметр затухания этой моды равен В работе [10] изучалась перестройка фононного спектра 2.5cm-1, что в пределах ошибки измерения совпадасплава Zn1-xCdxTe в зависимости от состава x. Из анает со значениями параметров ненапряженной подложлиза полученных данных была определена зависимость ки. Смещение частоты решеточной ТО-моды подложки частот TO-мод ZnTe- и CdTe-подобных колебаний от GaAs на 3 cm-1 в исследуемых структурах вызвано, посостава. Используя эту зависимость, мы оценили по видимому, упругими напряжениями на границе раздела частотному положению отщепленной полосы отражения подложки GaAs с буферным слоем CdTe из-за большосостав образовавшегося сплава. Он оказался равным го различия их решеточных параметров. Действительx = 0.15-0.20.

но, для пары CdTe/GaAs разница постоянных решетки Следует отметить, что в исследуемых структурах мы a = 6.48-5.65 = 0.83, в то время как для пары не смогли наблюдать колебательные возбуждения непоZnSe/GaAs a = 0.02. Большое значение параметра средственно в квантовых точках CdTe. Дело в том, что затухания = 8cm-1 в области GaAs свидетельствует о том, что приповерхностный слой подложки сильно де- тонкие слои КТ (2.5ML = 0.81 nm) были экранированы формирован в результате возникновения упругих напря- толстым буферным слоем CdTe (4.5 µm). И поскольку глубина проникновения возбуждающего ИК-излучения жений на границе рездела подложки GaAs с буферным при формировании отраженной волны велика (порядка слоем CdTe.

Полоса отражения в области 140 cm-1 связана с бу- 10-15 µm), спектр решеточного ИК-отражения несет ферным слоем CdTe. Как отмечалось выше, из-за боль- в себе интегральную характеристику о всех слоях, шой толщины буферного слоя анализ этой моды в рам- составляющих изучаемую структуру. Это позволяет проках используемой при расчете модели является некор- следить возникновение упругих напряжений в различных компонентах структуры.

ректным, и поэтому рассматриваться не будет.

Наиболее интересный эффект проявляется в структу- Совершенно другая картина возникает при использорах с квантовыми точками CdTe, разделенными потен- вании метода комбинационного рассеяния (КР) света.

циальным барьером ZnTe, при исследовании моды ZnTe- Здесь возбуждение спектров КР происходит светом колебаний в зависимости от толщины потенциального видимого диапазона и глубина проникновения составлябарьера. На рис. 2 представлены спектры решеточного ет 100-200 nm. В этом случае информация снимается отражения в окрестности ZnTe-моды для трех структур с верхней части структуры, представляющей собственно с различной толщиной барьерного слоя ZnTe :B12 (1), сверхрешетку. В таких условиях на тех же образцах нам 12 Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 1716 Л.К. Водопьянов, С.П. Козырев, Г. Карчевски удалось наблюдать колебательные возбуждения непосредственно в квантовых точках CdTe [11]. Оказалось, что природа этих колебаний существенным образом отличается от природы фононов в объемном кристалле.

Таким образом, анализ решеточных спектров длинноволнового ИК отражения от сверхрешеток ZnTe/CdTe со слоями квантовых точек позволил установить наличие в них упругих напряжений. О возникновении таких напряжений мы судим по сдвигу частот поперечных оптических фононов, локализованных в соответствующих частях изучаемой наноструктуры. Обнаружено, что упругие напряжения возникают в подложке GaAs, что можно объяснить несоответствием решеточных параметров подложки и буферного слоя CdTe. Разделяющие потенциальные слои также находятся в напряженном состоянии. Удалось проследить релаксацию этих упругих напряжений в барьерах ZnTe при увеличении их толщин от 12 до 75 ML. К сожалению, виброны в квантовых точках CdTe наблюдать не удалось, так как они были экранированы толстым буферным слоем. Наблюдение отщепленной полосы отражения в области ZnTe-моды для структур B25 и B75 свидетельствует об образовании в процессе роста твердого раствора ZnCdTe, что, по-видимому, связано с взаимодиффузией Zn и Cd на границах раздела слоев.

Авторы выражают благодарность В.С. Багаеву и Е. Махову за проведение измерений на Фурье-спектрометре.

Список литературы [1] V.S. Bagaev, V.V. Zaitsev, V.V. Kalinin, S.R. Oktyabrskii, A.F. Plotnikov. Sol. Stat. Commun. 88, 777 (1993).

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.