Книги по разным тема Pages     | 1| 2| Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 2 Оптические свойства пористого наноразмерного GaAs й А.И. Белогорохов, С.А. Гаврилов, И.А. Белогорохов+, А.А. Тихомиров ФГУП ДГиредметУ, 119017 Москва, Россия Московский государственный институт электронной техники (технический университет), 103498 Москва, Россия + Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия (Получена 30 марта 2004 г. Принята к печати 3 июня 2004 г.) Исследованы оптические свойства слоев пористого GaAs, полученных методом электрохимического травления монокристаллических пластин GaAs(100) n- и p-типа проводимости. Показано, что форма нанокристаллов, их средний диаметр и поверхностные состояния зависят от типа проводимости исходного кристалла

Обнаружено смещение пиков, соответствующих основным оптическим фононам, в низкочастотную область спектров комбинационного рассеяния света. Значения частот колебаний поверностных фононов, полученные из спектров комбинационного рассеяния света и спектров отражения в инфракрасном диапазоне длин волн, совпадают. При переходе от объемного GaAs к его пористой модификации изменяются формы спектральных зависимостей коэффициента отражения в области фононного резонанса, что обусловлено появлением дополнительных осцилляторов, связанных с пространственно ограниченными решеточными колебаниями в нанокристаллах GaAs. Методом атомно-силовой микроскопии проведено исследование морфологии поверхности образцов пористого GaAs, полученных на подложках n-типа проводимости. Наблюдался наноразмерный рельеф поверхности. Оценки значений среднего диаметра нанокристаллов GaAs, сделанные по результатам комбинационного рассеяния света, инфракрасной спектроскопии, фотолюминесценции и атомно-силовой микроскопии, хорошо согласуются друг с другом

1. Введение В настоящее время вопросу получения наноразмерного пористого GaAs посвящено не много работ [2,5,8]

Структуры GaAs пониженной размерности, такие, Сведения, представленные в них, порой противоречивы например, как квантовые нити и квантовые точки, и практически отсутствует информация о динамике решетки нанокристаллов (НК), формирующих слой попривлекают к себе все более пристальный интерес и ристого GaAs

как объекты фундаментальных исследований [1,2], и как перспективные материалы для создания на их основе приборов с новыми эксплуатационными возможностями, 2. Образцы и методика эксперимента которые невозможно получить, используя традиционные полупроводниковые материалы [3]. Например, использоПористые структуры GaAs были получены на подвание пористого GaAs (por-GaAs) в качестве материложках монокристаллического арсенида галлия с ориала подложки при выращивании эпитаксиальных слоев ентацией (100), легированных цинком (p-тип проводиGaN методом молекулярно-лучевой эпитаксии позволимости, NZn (1-5) 1018 см-3) либо кремнием (n-тип ло получить сплошные слои кубической модификации проводимости, NSi 1016-1017 см-3) с помощью метода GaN [4]. Методом газофазной эпитаксии из металлорэлектрохимического травления. Состав электролита был ганических соединений получены монокристаллические следующим: HF : H2O: HNO3=39 : 59 : 2. В ряде случаев слои GaAs, AlGaAs и InGaAs на подложках por-GaAs [5]

добавлялась разбавленная соляная кислота. Процесс Представляется весьма перспективным получать разэлектрохимического травления проводился в темноте в личные пористые полупроводниковые материалы с потечение 5-15 мин при прохождении через электролит мощью метода электрохимического травления. Данный постоянного тока плотностью 20-25 мА/см2

способ достаточно прост и его внедрение не требует Спектры комбинационного рассеяния света (КРС) больших затрат. В случае положительного результата были получены в геометрии обратного рассеяния при появится возможность расширить спектральный диапервичном воздействии с помощью Ar+-лазера на длипазон люминесцентной электроники, а также создать нах волн 488 и 514.5 нм. В состав установки входил новые типы светодиодов. Кроме того, использование двойной монохроматор JobinЦYvon T64000 и охлаждаепористых материалов в качестве промежуточных слоев мый до 77.3 K GaAs-фотоумножитель. Для исследования позволит получить новые типы гетеропереходов. Попытмикроструктуры образцов использовался металлографики, предпринятые в этом направлениии показали, что ческий микроскоп Olympus. В этом случае лазерный луч данная проблема может быть успешно решена [4,6,7]

фокусировался на образце в пятно диаметром 3 мкм

Соответственно возрастала и плотность мощности лаE-mail: belog@mig.phys.msu.su зерного воздействия на исследуемый кристалл. Для Оптические свойства пористого наноразмерного GaAs того чтобы избежать каких-либо необратимых тепловых воздействий на образец или его деградации, варьировалась мощность накачки Ar+-лазера от 1 до 100 мВт

Совмещенная с микроскопом CCD-камера позволяла на мониторе визуально наблюдать за состоянием поверхности объекта в процессе получения спектров КРС. Такая методика проведения измерений известна как micro - Raman

Оптические спектры в инфракрасном диапазое длин волн (FTIR) при комнатной температуре регистрировались с помощью фурье-спектрометра IFS-113v (Bruker, Germany) в частотном диапазоне = 10-700 см-1 со спектральным разрешением не хуже 0.2 см-1. Обработка полученных спектральных зависимостей коэффициента Рис. 1. Спектры комбинационного рассеяния света образцов отражения R() проводилась с использованием комбипористого n-GaAs. Номера образцов: a Ч2, b Ч4-2, c Ч4

нированного подхода, включающего в себя соотношения КрамерсаЦКронига и дисперсионный анализ [9], а также генетический алгоритм

Исследование микроструктуры и морфологии поверхслучае эти моды колебаний должны располагаться на ности нанокристаллов проводилось с использованием частотах 268.5 см-1 (TO) и 292.3 см-1 (LO). В случае электронного сканирующего микроскопа JEOL 840A por-GaAs фононные линии КРС уширены и сдвинуты в с системой элементного анализа LINK. Топографию низкочастотную область спектра по сравнению со случаповерхности изучали на атомно-силовом микроскопе ем кристаллического материала. Авторы работы [1] исSolver P47 фирмы NT-MDT Corp

следовали спектры КРС химических соединений As2Oи Ga2O3 с той целью, чтобы идентифицировать оставшиеся пики под номерами 1, 2, 5-7. Ими было замечено, 3. Комбинационное рассеяние света что As2O3 и Ga2O3 не проявляли фотолюминесцентных свойств, а в спектрах КРС первого из них наблюдались При интерпретации спектров КРС образцов por-GaAs интенсивные пики на частотах 85, 183, 268, 369, 414, крайне важно иметь информацию о химическом составе и 560 см-1. Во втором случае (Ga2O3) имели место пики поверхности нанокристаллов. На основании результатов на частотах 201, 418 и 769 см-1. Как видно на рис. 1, исследований, полученных с помощью метода рентгев нашем случае в спектрах ряда образцов пористого новской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), был GaAs n-типа наблюдаются резонансные колебания, отсделан вывод о том, что в исследованных образцах вечающие материалу As2O3. Следов Ga2O3 обнаружено отношение Ga : As составляло 1, т. е. сохранялась стене было. Из того же рисунка можно видеть, что в хиометрия материала. Кроме того, на поверхности приспектре образца 4-2 наблюдается рост интенсивности сутствовал хлор, но его количество не превышало 3 ат%

фонового излучения на частотах, больших 200 см-1

В результате реакции электрохимического травления на Этот эффект связан с появившимся сигналом фотолюповерхности НК GaAs могут образовываться химичеминесценции (ФЛ) с этом образце. Так как никаких ские соединения типа Ga2O3, GaCl3, AsCl3, As2O3. Комдополнительных пиков в данном случае не возникло, что плексный анализ данных XPS, лазерного масс-анализа свидетельствует о том, что физико-химическое состои морфологии поверхности (согласно результатам, пояние поверхности нанокристаллов осталось прежним, лученным с помощью метода растровой электронной можно сделать вывод о решающей роли, которую играют микроскопии) позволил сделать вывод о том, что из эффекты размерного квантования в процессе появления всего набора перечисленных соединений на поверхности сигнала ФЛ в видимом диапазоне длин волн в этом некоторых исследованных образцов por-GaAs могли образце. При его изготовлении значение плотности тока присутствовать кристаллиты As2O3, имеющие алмазопобыло на 20% выше, чем при изготовлении образца 4

добную форму

Если далее увеличивать ток, проходящий через оразец В спектрах КРС ряда образцов, изготовленных на в процессе реакции электрохимического травления, то подложках n-типа проводимости, наблюдались интенсивбыстро наступает режим электрополировки, что в свою ные узкие пики, расположенные почти эквидистантно

очередь приводит к резкому уменьшению толщины поДля примера на рис. 1 показаны спектры КРС трех ристой пленки и к полному ее исчезновению

образцов пористого n-GaAs. Присутствующие в спектрах пики 3 и 4 соответствуют частотам поперечного (TO) и Для образцов p-типа, как показывают данные XPS, продольного (LO) оптических фононов GaAs, которые спектрометрического и РЭМ анализа, не наблюдается активны в спектрах КРС как кристаллической, так формирования на поврехности пор кристаллитов As2O3, и пористой модификации арсенида галлия. В первом как это было в случае некоторых образцов пористого 6 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 260 А.И. Белогорохов, С.А. Гаврилов, И.А. Белогорохов, А.А. Тихомиров изложенного в работе [10]. В частности, использовались следующие соотношения для нахождения искомых частот:p>

2 SO = TO + 2, (1) p + m(r) I m(r)Km(r) m(r) =-. (2) Im(r)Km(r) Здесь r Ч радиус нанокристалла, Im(r) Ч цилиндрическая функция, p Ч плазменная частота, Ч высокочастотная диэлектрическая проницаемость. Для образца por-GaAs, спектр КРС которого представлен на рис. 2, значение частоты поверхностной фононной моды оказалось равным SO = 284 см-1 (SO-мода отмечена на вставке стрелкой). Эта величина получена с помощью процедуры разложения LO-пика на составляющие Рис. 2. Спектр комбинационного рассеяния света образца por-GaAs Si. На вставке Ч область спектра, в которой про- его гауссианы. Для расчета использовались следуюявляются TO и LO-фононы. Стрелкой обозначено положение щие значения параметров материала GaAs: = 11.2, поврехностной оптической (SO) фононной моды

TO = 268.5см-1 [11], d 6 нм. Теоретическая оценка для SO практически совпадает с найденным значением

4. Инфракрасная спектроскопия n-GaAs. В то же время суммарное количество атомов кислорода, участвующих в формировании оксидных свяИнформация о топологии образцов por-GaAs может зей на поверхности нанокристаллов, оказалось почти быть получена из анализа структуры FTIR спектров

равным. Следует подчеркнуть, что интенсивность ФЛ в Для этого можно воспользоваться выражением для тенобразцах пористого p-GaAs существенно ниже, чем в зора диэлектрической проницаемости композиционного образцах пористого n-GaAs, а положение самого пика материала [12]. При этом необходимо рассмотреть два ФЛ сдвинуто в красную область спектра. Структура возможных варианта. В первом случае это будут пропористого слоя p-GaAs менее однородная, размеры НК тяженные в одном направлении нанокристаллы GaAs составляют от 10 нм до десятых долей микрона. В случае радиуса r, окруженные вакуумом. Тогда для тензора n-GaAs размеры нанокристаллов меньше, а также сущедиэлектрической проницаемости будет справедливо слественно меньше дисперсия значений их среднего диадующее выражение:p>

метра, который определялся по положению максимума пика ФЛ (Emax), для чего использовался подход, изло- + 1 + C( - 1) xx = yy =, (3) женный в работе [2]. Максимум ФЛ в образцах por-GaAs + 1 - C( + 1) n-типа располагался при энергиях 1.85-2.52 эВ, что Ч низкочастотная диэлектрическая проницаемость

соответствует размерам НК от 5 до 8 нм. Наряду с Во втором случае, когда пористый слой состоит из этим подобные оценки были сделаны и по величине пор радиуса r, пронизывающих кристаллическую матсдвига основных оптических фононов в спектрах КРС рицу GaAs, подобное соотношение запишется как por-GaAs, а также с помощью методов атомно-силовой 2 + C( - 1) микроскопии (AFM). Так, например, из рис. 2, на котоxx = yy =. (4) 2 - C( + 1) ром приведен спектр КРС por-GaAs n-типа, свободного от As2O3, можно видеть, что пик, соответствующий И в том и в другом случае рассеянию квантов света на продольных оптических zz = 1 + C( - 1). (5) фононах в por-GaAs, смещен на 1.6см-1 в низКонстанта C = R2N определяет долю кристаллическокочастотную область спектра по сравнению со случаем го GaAs в объеме пористого слоя (так называемый объемного арсенида галлия. Зная величину, можно фактор заполнения). Частотную зависимость тензора оценить средний диаметр нанокристаллов, образующий диэлектрической функции можно выразить следующим слой n-por-GaAs в этом образце. В результате получено образом:p>

значение диаметра НК d 5.9 нм, что согласуется с оценкой, сделанной для того же образца по результатам 2 - LO p () = -. (6) ФЛ (d 6.3нм, Emax = 2.12 эВ)

2 - TO В спектрах КРС образцов por-GaAs наряду с оптическими фононами, локализованными в объеме НК, были Результаты расчета, выполненного согласно (3)Ц(6), а обнаружены поверхностные оптические (SO) фононные также экспериментальный спектр отражения R() для моды. Для того чтобы оценить значения частот SO- одного из образцов пористого GaAs приведены на рис. 3

фононных мод, был проведен расчет в рамках подхода, Из сопоставления приведенных данных можно сделать Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Оптические свойства пористого наноразмерного GaAs зоны Бриллюэна). Авторы указанной работы исходили из предположения, что колебательные моды объемного материала |n, k с k = 0 определяют вибрационные свой ства НК GaAs, и они по энергии ниже фононных мод центра зоны Бриллюэна. В частности, для 6 направлений 100 линейная комбинация LO-состояний |, k дает одно состояние A1, одно дважды вырожденное E и одно трижды вырожденное состояние T2 [14]:p>

6|, k A1 + E + T2. (7) Подобно этому для TO-колебаний по направлениям 100 получено [14]:p>

6| +, k 2T1 + 2T2, (8) 3 Рис. 3. Спектр отражения por-GaAs в области решеточных а по направлениям 111 справедливы следующие соотколебаний (сплошная линия), полученный при T = 78 K. Спекношения:p>

тральные зависимости 1, 2 соответствуют результатам расчета 4|, k A1 + T2 (LO), (9) для случая квантовых нитей (1) и протяженных пор (2)

Pages     | 1| 2|    Книги по разным тема