WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 8 05;06;07 Диэлектрическая функция твердых растворов GaPAs в области колебательного поглощения © А.В. Гончаренко,1 О.С. Горя,2 Н.Л. Дмитрук, А.А. Михайлик,3 В.Р. Романюк1 1 Институт физики полупроводников НАН Украины, 03028 Киев, Украина 2 Государственный университет Молдавии, MD 2009 Кишинев, Молдавия 3 Институт проблем материаловедения НАН Украины, 03142 Киев, Украина e-mail: avg@isp.kiev.ua (Поступило в Редакцию 27 июля 2000 г. В окончательной редакции 19 февраля 2000 г.) Основываясь на спектрах ИК пропускания, отражения, нарушенного полного внутреннего отражения и комбинационного рассеяния света, проведена апробация различных моделей диэлектрической функции твердых растворов GaPAs. Показано, что использование моделей, учитывающих различие времен поперечной и продольной колебательной релаксации, а также распределение ТО-фононов по частоте, позволяет с разумной точностью описать экспериментальные спектры.

Введение Уширение полосы оптического возбуждения (экситона, поляритона, фонона) часто наблюдается в спектрах фотолюминесценции, пропускания и комбинационного Твердые растворы, в которых в зависимости от состава рассеяния света (КРС) твердых тел. В большинстве меняется постоянная кристаллической решетки (GaPAs, случаев его качественно объясняют структурным неInGaAs и т. п.), помимо типичных задач инженерии зонсовершенством лабораторных образцов [5–7], природной структуры широко используются в гетероструктурах ных объектов [8] или разупорядочением, искусственно как переходные (буферные) слои для бездислокационновнесенным внешним воздействием [9,10]. При анализе го согласования эпитаксиальных пленок с сильно разлиэкспериментальных результатов следует учитывать как чающимися постоянными решетки. Постоянные решетпричины уширения полос возбуждений, связанные с апки GaAs и GaP — компонент твердых растворов GaPAs паратной функцией прибора или флуктуациями толщин различаются на 3.6% [1]. Механические напряжения тонких слоев, так и физические причины такого уширекристаллической решетки, как известно, приводят к ния, в частности уменьшение времени релаксации (рост сдвигу частот ее поперечных (TO) и продольных (LO) затухания) возбуждений и распределение некоторых миоптических фононов [2,3]. Присутствие дислокаций и крохарактеристик среды на тех характерных расстояниях других дефектов, вызванных релаксацией механических или за то характерное время, при которых производится напряжений, преимущественно ухудшает электрические и усреднение этих характеристик. Отметим, что в дани оптические параметры системы. Но даже в отсутствие ном случае на результаты существенное влияние может механических напряжений и дислокаций для кристалиметь глубина проникновения (или глубина локализалической решетки твердых растворов характерно так ции) света в исследуемой среде (см., например, [11,12]).

называемое атомное разупорядочение. Это означает, что Для GaAs и GaP существует полная система тверчисло координаций, которые в сопоставимых соотношедых растворов GaPxAs1-x. Его исходные компоненниях реализуется для ближайшего окружения атомов, ты (GaAs и GaP) — полярные кубические кристаллы может достигать трех-четырех. Прямые эффективные со структурой цинковой обманки и двумя атомами в экспериментальные методы исследования локальных неэлементарной ячейке, характеризуются одним дипольнооднородностей в структуре твердых растворов находятся активным инфракрасным (ИК) колебанием. Величина сейчас в стадии развития. Главными проблемами остаютзатухания этого колебания составляет T = 2.6cm-ся характер размещения замещающих атомов (степень для GaAs и T = 1.1-1.3cm-1 для GaP при комнатной упорядочения) и искажения решетки. Некоторые предтемпературе [13,14]. В области оптических фононных коставления о сложном характере структурных преобразолебаний твердый раствор GaPAs проявляет двухмодовое ваний в твердых растворах GaPAs, о роли и механизмах поведение; при этом параметры диэлектрической функвлияния технологических условий можно получить из ции хорошо описываются модифицированной моделью работы [4]. Сложная структура твердых растворов изосмещений элементов [15]. В работе [16] при изучении вызывает определенные проблемы при моделировании оптических свойств сверхрешеток типа GaAs/GaPAs поих макроскопической диэлектрической функции, необхо- лучено хорошее согласование оптических спектров ИК димой для интерпретации оптических спектров. отражения и нарушенного полного внутренного отраже40 А.В. Гончаренко, О.С. Горя, Н.Л. Дмитрук, А.А. Михайлик, В.Р. Романюк ния (НПВО) в области остаточных лучей GaAs компо- Исследования твердого раствора AlGaAs показали, что ненты твердого раствора, а полоса связанного с GaP- случайное распределение Al и Ga в катионной подрешетподобным колебанием объемного и поверхностного фо- ке разрушает трансляционную симметрию на атомном нонного поляритона сильно уширена. Предполагают, что уровне, что приводит к уменьшению корреляционной параметры затухания оптических фононных колебаний длины ( 1nm) и проявляется как уширение и асиммев твердых растворах больше объемных значений из- трия полосы LO-фонона в спектре КРС [28]. Поэтому за атомного разупорядочения. Кроме того, наблюдается в тройных соединениях, в которых атомы компонент их концентрационная зависимость [17–20], приблизи- распределены случайно, на время жизни фононов влияет тельно пропорциональная концентрационной дисперсии как спонтанный ангармонический распад на низкоэнерге(x)2 = x(1 - x) [21]. тичные фононы (decay), так и упругое рассеяние на изоВ [22] оптические свойства твердых растворов GaPAs топическом разупорядочении (disoder). Как показывают описывают кластерной моделью, которая дает 8 ИК результаты [23], роль последнего механизма возрастает активных оптических фононных колебаний. Из подгонки при увеличении концентрации примеси.

экспериментальных спектров отражения получено, что В процессе выращивания многослойных структур возGaP-подобные моды имеют j = 0.02Tj 7.3cm-1, можны различные процессы (например, взаимная дифа GaAs-подобные — j = ( 0.03 - 0.05 ) Tj фузия компонент, формирование переходных слоев, ше 8.1-13.5cm-1. Такое же количество LO-пиков роховатость интерфейсов, механические напряжения в следовало бы ожидать и в спектрах КРС этих смешанных слоях гетеросистемы), которые влияют на качество слокристаллов. Но экспериментальные результаты [3,23] ев твердого раствора и соответственно на оптические и наши измерения демонстрируют возбуждение только и диэлектрические свойства структур. Чтобы изучить одного LO-фонона в области остаточных лучей фосфида роль определенных факторов, возникающих в многослойгаллия и одного в области остаточных лучей арсенида ных структурах, в этой работе исследуются оптические галлия. Это типичное двухмодовое поведение твердого свойства однослойных эпитаксиальных пленок GaPAs, раствора, которое хорошо описывается моделью выращенных на подложке из арсенида галлия. Целью изосмещений элементов [15]. В то же время следует работы была апробация моделей функции диэлектричеотметить, что в [24] аналогичный кластерный подход дает ской проницаемости твердого раствора GaPAs в области хорошие результаты при расчете методом функций Грина фундаментальных решеточных колебаний как без, так и плотности фононных состояний HgCdTe при разных с использованием непрерывного распределения частоты температурах.

поперечного оптического фонона.

Методами когерентной антистоксовой рамановской спектроскопии с временным разрешением (TR - CARS) Модельные приближения и спектроскопии КРС можно изучать релаксацию (время жизни ) фононов непосредственно или через ширину Чтобы описать в оптической фононной области диполосы возбуждения как = (2c)-1 [25]. Но слеэлектрический отклик кристалла, имеющего N ИКдует отметить, что релаксация TO-фононов исследована активных осцилляторов, чаще всего используют модель этими методами значительно меньше, чем LO-фононов.

невзаимодействующих (гармонических) лоренцевых осАнализируя форму TO- и LO-полос GaP, полученных цилляторов [29] в результате измерения ИК-спектров отражения и КРС, в работах [14,26] отмечают, что пик в Im[()] (на чаN 4jTj стоте TO-фонона) сильно асимметричный и уширенный () = +, (1) Tj - 2 - ij в сторону низких частот, тогда как пик в Im[-1/()] j=(на частоте LO-фонона) узкий и симметричный. В рагде — высокочастотная диэлектрическая проницаботе [14] предполагается, что причиной такого асиммеемость; 4j, Tj, j — сила, частота и параметр тричного уширения полосы GaP является сильное взаизатухания j-й поперечной моды соответственно; диэлекмодействие с TO-колебанием (TO = 366 cm-1) близко трический отклик кристаллов GaAS и GaP в ИК-области расположенной комбинированной полосы поглощения хорошо описывается моделью (1) [13].

TA(X)+LA(X) =357 cm-1 (при T = 300 K), и вводится Важным обобщением (1) является четырехпарамечастотно-зависимая функция затухания ().

трическая полуквантовая (или факторизованная) моРассматривая смешанные кристаллы (твердые растводель [30], которая может учитывать различие в затухании ры), различают два случая [27]: 1) концентрация примепоперечных и продольных оптических фононов, сей мала и хорошо работает приближение изолированных примесных атомов, 2) разупорядоченные системы, Lj - 2 - iLj в которых концентрация замещающих примесей доста() = 2. (2) Tj - 2 - iTj точно высока. Разупорядоченная решетка может форj мироваться множеством различных путей. Весь набор реализаций такой решетки приводит к статистическо- Здесь каждый j-й осциллятор характеризуют 4 параму распределению параметров ее фононных колебаний. метра: частоты поперечных и продольных оптических Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Диэлектрическая функция твердых растворов GaPAs в области колебательного поглощения колебаний Tj, Lj и их затухания Tj, Lj (в общем уменьшить и изменять глубину проникновения света случае Tj = Lj). В [31] для GaP получено, что путем изменения его угла падения на образец [12].

TO =LO = 1.3cm-1. Рассматривая с помощью этой Влияние неупорядоченности структуры или вариации некоторого параметра относительно среднего значения модели оптические свойства твердого раствора AlGaAs, на вид функции комплексной диэлектрической проницав [17] получили, что Lj < Tj, причем Tj возрастает при уменьшении содержания соответствующей компо- емости () и оптические спектры твердых тел рассмотрено, например, в [8,36,37]. В общем случае контур ненты.

неоднородно уширенной полосы зависит от характера Поперечные и продольные оптические фононы в распределения этого параметра. Если предположить, чистых бинарных компонентах твердого раствора GaPAs что количество осцилляторов каждого вида подчиняется имеют различное время жизни. Так, при T = 300 K гауссовому распределению по переменной резонансной получено, что для GaAs LO = 3.5ps [32], частоте, то дисперсионное уравнение для комплексной TO = 1.4ps [33], для GaP LO = 9ps [25] и 4.24 ps [23], диэлектрической проницаемости записывается как свертTO < 0.1ps [34], для GaP-подобной TO-моды в ка лоренцевой и гауссовой функций [36] GaP0.9As0.1 TO = 3.86 ps [23]. Из этих данных видно, что TO-колебание GaP имеет очень малое время 4j () = + жизни, что объясняют сильным ангармонизмом Ga–P 2j j колебаний как в чистом объемном кристалле [35], так и в твердом растворе GaPAs [18]. Анализируя + exp[-( - 2)2/(22)] приведенные времена жизни TO- и LO-фононов и j j d. (3) учитывая, что они имеют различные каналы распада, 2 - 2 - ij существенно отметить, что имеет смысл использование факторизованной модели диэлектрической функции (2).

В первом приближении будем считать, что сила осУчет разного затухания TO- и LO-колебаний по циллятора 4j не зависит от, а ширина распреэтой модели позволяет получить асимметричный деления j, естественно, изменяется от одного типа пик в Im[()]. Но, как мы увидим далее, этого осцилляторов к другому. Негауссов вклад будем считать недостаточно для удовлетворительного согласования несущественным.

экспериментальных спектров отражения эпитаксиальных Естественно, что реальные флуктуации колебательных пленок GaPxAs1-x с расчетом в широком диапазоне x.

частот в кристаллических твердых телах должны быть Тройные полупроводниковые соединения AxB1-xC ограничены узкими спектральными интервалами. Предформируются как смесь в определенной пропорции би- ставление о гауссовом распределении значений микроханарных компонент AC и BC. Образуется макрооднород- рактеристик довольно часто используется при описании ная кристаллическая решетка с дефектами замещения, диэлектрических свойств неупорядоченных сред. Уравкогда ионы As замещаются ионами P. Распределение нение (3) охватывает любые практически реализуемые атомов фосфора в решетке случайное, а ближайшее вариации степени случайного разупорядочения. Так, поокружение атомов в твердом растворе не обязатель- добный подход был использован для интерпретации ИК но сводится к одной-двум конфигурациям, соотношение спектров отражения приповерхностного слоя SiC [37].

Можно ожидать, что оно будет справедливым и для друи изменение которых однозначно связаны с составом.

Неупорядоченность структуры, вызывающая неэквива- гих классов конденсированных неупорядоченных сред — лентность ближайшего окружения атомов или моле- твердых растворов, некристаллических полупроводникул, определяет вероятностную природу всех микроха- ков, полимерных расплавов и т. д.

рактеристик и статистическую суть экспериментально измеряемых величин. В спектроскопии это приводит к Образцы и процедура измерения неоднородному, флуктуационному, уширению полос, т. е.

к уширению, вызванному тем, что каждая полоса спектра Эпитаксиальные пленки GaPxAs1-x были выращены на формируется как результат суперпозиции очень больподложке GaAs методом газофазной эпитаксии в хлоридшого числа несколько смещенных одна относительно ной системе [38]. В качестве подложки использовались другой индивидуальных полос. Если толщина пленки на монокристаллы GaAs (001), как нелегированные, так и подложке больше критической, то в пленке может быть легированные, толщиной около 0.4 mm. Из измерений распределение напряжений по толщине вследствие их спектра отражения со стороны подложки в области плазрелаксации. Поскольку оптические методы диагностики менного минимума определены плазменная частота p и являются преимущественно интегральными, то резуль- коэффициент затухания плазмонов p в подложке. Как тат будет определяться усредненными микроскопиче- источники компонент при выращивании пленки GaPAs скими характеристиками. Отметим, что глубина про- использовались нелегированные (высокоомные) мононикновения зондирующего излучения в ИК отражении кристаллы GaAs и GaP n-типа (n 5 · 1015 cm-3).

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.