
Введение измерить спектр хотя бы одной оптической функции и по ней рассчитать оптические спектры всех остальных Нитрид индия обычно кристаллизуется в гексагональфункций. Потом установить структуру хотя бы неконой решетке вюртцита (w-InN) [1,2]. Тонкие пленки торых из них и сопоставить эти спектры с известныполучают катодным распылением или с помощью мими данными теории для уровней энергии и спектров кроволновой газофазной эпитаксии из металлорганичепереходов. Как правило, все эти три этапа сводятся ских соединений на различные подложки (наилучшие к обсуждению результатов теории только по одному результаты известны для подложек из гексагонального спектру отражения.
сапфира Al2O3).
Известно, что наиболее обширную и наглядную инДлинноволновый край поглощения InN изучался во формацию о параметрах и особенностях электронного многих работах [1Ц7]. Образцы, как правило, состроения содержит полный комплекс спектров оптичедержат большие концентрации свободных носителей ских фундаментальных функций в области энергии соб(до 1020 см-3 и более) и всевозможных дефектов рественного поглощения. Это Ч коэффициенты отражешетки. Это не позволяет изучать свободные экситоны и ния (R) и поглощения (); показатели преломления (n) тонкую структуру триплетной верхней валентной зоны, и поглощения (k); реальная (1) и мнимая (2) чакак у GaN [1]. Из анализа данных упомянутых работ сти диэлектрической проницаемости (); функция E22, ширина запрещенной зоны, соответствующая прямым пропорциональная объединенной плотности состояний разрешенным переходам, составляет Eg = 1.72.0эВ.
в приближении постоянства вероятностей переходов;
В области прозрачности показатель преломления сильно количество валентных электронов neff(E), участвующих легированных поликристаллических пленок изменяется в переходах до данной энергии E, в долях от общего от 2.90 при энергии фотонов E = 1.4эВ до 1.63 при числа валентных электронов на элементарную ячейE = 0.78 эВ [4].
ку; функции характеристических объемных (-Im -1) Чистый InN, и особенно его твердые растворы с GaN, и поверхностных (-Im (1 + )-1) потерь электронов;
AlN, перспективны для изготовления оптоэлектронных электрооптические функции и, применяемые для и солнечных элементов. Для количественной оценки количественного анализа модулированных оптических их параметров необходимо знать спектры поглощения, спектров и др. [11].
диэлектрической проницаемости в области собственного В работах [9,10] по спектру отражения рассчитан не поглощения. InN интересен также для теории как мовесь комплекс функций, нет разложения спектра 2 на дельный кристалл полупроводникового элементарного компоненты, а сопоставление с теорией дано лишь для нитрида.
шести максимумов 2 в области E =412 эВ по одной Электронная структура w-InN теоретически изучалась из многих теоретических работ. Рассчитанные значения во многих работах [1], но при этом имеется мало показателя преломления n оказались меньше единицы экспериментальных данных [1,2]. В спектрах отражения для энергий E > 10 эВ, значение 2 при 2 эВ в [9] пленок InN наблюдались максимумы при 5.0, 5.5, 5.8, равно 2 вместо нуля, т. е. очень сильно завышено.
7.3 и 8.8 эВ [8]. В [6] изучен спектр диэлектрической Это лишено физического смысла и обусловлено, попроницаемости в области 2.55.5 эВ; он состоял из видимому, несовершенством расчетов в этих работах.
одной полосы с максимумом при 5 эВ. Поэтому особую Поэтому расчеты и других оптических функций также актуальность приобретают экспериментально-расчетные ошибочны.
исследования оптических спектров и электронной струкЦель настоящего сообщения Ч расчет всего комтуры w-InN в широкой области энергии фундаментальплекса оптических функций для w-InN в области ного поглощения. Такая возможность появилась после E = 2130 эВ, разложение интегральных спектров опубликования спектра отражения монокристаллических и 1 на компоненты и определение трех параметров пленок w-InN в области E = 2130 эВ [9,10].
Решение проблемы электронной структуры твердого каждой компоненты, а также сопоставление полученных тела в широкой области энергий фундаментального по- результатов с данными теоретических расчетов зон и глощения можно разделить на три этапа. Сначала нужно (рис. 1, 2 и таблица).
396 В.В. Соболев, М.А. Злобина Параметры Ei, Hi, fi, Si/Smax осцилляторов (Oi) InN, природа и энергия (в эВ) компонент 2 по теории [12,14Ц16] Наши данные [12] [14] [15] [16] Oi Ei, эВ Hi, эВ fi Si/Smax EPP MPP OLCAO SETB O1 2.46 0.2 0.59 0.04 - - - - O2 2.79 0.5 0.90 0.10 - - - - O3 3.7 1.1 0.75 0.17 4 3.4 - A 4.O4 4.85 0.7 0.39 0.18 - 4.8, 4.4 - - O5 5.55 1.2 1.27 1.0 5.5 M 5.2 LA 5.6 - O6 6.3 1.0 0.33 0.37 - 6.4, M 5.8 6.2 6.O7 7.0 0.9 0.13 0.17 M 7.2 7.2 7.0 6.O8 7.5 0.7 0.07 0.09 7.6 7.4, 7.8 7.7 L 7.O9 8.0 0.7 0.19 0.28 7.9, K 8.1 M 8 8.3, 8.0 8.3, A 8.O10 8.9 0.85 0.27 0.48 9 8.8 LA 8.6, 9.0 9.2, O11 9.3 0.5 0.04 0.08 K 8.6 9.2, 9.5, 9.6 9.3 9.2, O12 10.0 1.2 0.22 0.48 M 8.6 10.2 10.1 L O13 11.1 1.7 0.40 0.99 K, M 11.3 10.6, 10.8 10.7, 11.1 L LA 10.O14 11.8 1.4 0.08 0.22 M 11.7 M 11.6, 12 11.5 11.7, 12 12, 12.2 LA O15 12.85 2.1 0.27 0.78 14.5 14 13, 12.8 O16 14.25 1.6 0.09 0.27 - - 14, 14.6 - LA O17 16.15 2.2 0.09 0.29 16.2 LA 15.6, H 16.7 - 16.5 - O18 18.15 0.9 0.02 0.07 H 17.5 - 17.5 - O19 19.65 0.87 0.03 0.08 - - 20.5 - LA 21, Примечание. EPP Ч метод эмпирического псевдопотенциала; MPP Ч метод модельного псевдопотенциала; OLCAO Ч метод ортогонализованных линейных комбинаций атомных орбиталей в приближении локальной плотности; SETB Ч полуэмпирический метод сильной связи.
Методики расчетов ют результат суммирования вкладов всех переходов из занятых состояний в свободные состояния по всему Методики расчетов комплекса оптических функций и объему зоны Бриллюэна. Благодаря большой полуширазложения интегральной кривой диэлектрической про- рине полос переходов и их сильному перекрытию неницаемости на элементарные компоненты многократно которые из них в интегральных спектрах R или 2 не использовались и подробно описаны в [11]. Кратко оста- наблюдаются в виде максимумов, причем положения новимся на их основных особенностях. Обычно для рас- максимумов интегральных спектров R или 2 могут четов используют известный экспериментальный спектр заметно отличаться от истинных энергий максимумов отражения в широкой области энергии собственного полос переходов. Очень часто интегральные спектры поглощения от Eg до 10 или 100 эВ, а также в области R или 2 воспроизводят по модели N симметричных прозрачности. Отсутствующую часть спектра в области лоренцевских осцилляторов с большим количеством подбольших значений энергии традиционно моделируют гоночных параметров (от 12 при N = 4 до 30(!) при членом типа E-p, где p Ч подгоночный параметр в N = 10 и более); для каждого осциллятора вводятся три интервале от 2 до 4. Как правило, в том числе и в рассма- параметра: энергия максимума Ei, полуширина Hi, сила триваемом нами случае InN, R 0.1 в области энергии осциллятора fi.
E > 10 эВ. Поэтому тип экстраполяции отражения в В настоящем сообщении применяется метод объедиобласть спектра, где измерений нет, с высокой степе- ненных диаграмм Арганда. Он основан на том, что для нью точности не влияет на расчетные значения других симметричного лоренцевского осциллятора зависимость функций. По интегральным соотношениям Крамерса - 2 = f (1) имеет вид почти идеальной окружности, Кронига по спектру отражения рассчитывается фаза причем координаты центра и радиус окружности непоотраженной волны. Все остальные оптические функции, средственно определяют три параметра осциллятора (Ei, за исключением neff и эффективной диэлектрической Hi, fi). На основе интегральных спектров 2 и 1 крипроницаемости eff (см. [11]), легко определяются по сталла строится их общая диаграмма Арганда. Анализ простым аналитическим формулам, а neff и eff Ч с этой диаграммы позволяет однозначно без подгоночных помощью простых интегралов по функциям E2 и E-12. параметров выполнить разложение интегрального спекЭкспериментальная кривая отражения и рассчитанные тра 2 на элементарные компоненты и определить их на ее основе другие оптические функции представля- параметры.
Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. Оптические спектры и электронная структура нитрида индия Рис. 1. Экспериментальный спектр отражения R нитрида индия по данным [9] (a, 1) и расчетные спектры. a: 2 Ч n, 3 Ч 1;
b: 4 Ч 2, 5 Ч k, 6 Ч , 7 Ч E22; c: 8 Ч neff, 9 Ч [-Im -1], 10 Ч [-Im ( + 1)-1]; d: 11 Ч, 12 Ч.
Обсуждение результатов Расположение максимумов в спектрах n и 2 почти одинаково (рис. 1, a). С увеличением энергии их смещение в область меньших энергий относительно анаЭкспериментальный спектр w-InN работы [9] в облалогичных максимумов отражения растет от нуля при сти E = 220 эВ содержит максимумы при 2.3, 5.3, E = 2.3эВ до 0.30.5 эВ для следующих максимумов.
7.95, 8.90, 10.25, 11.2 эВ (рис. 1, a). Все они находятПоказатель преломления максимален (n = 2.78) при ся в области интенсивного собственного поглощения.
4.80 эВ и больше единицы во всей области энергии. РеКоэффициент отражения в области энергии E > 15 эВ альная часть диэлектрической проницаемости 1 достиочень мал и равен 0.02 и 0.002 соответственно при гает наибольших значений 7.56 и 7.42 при 2.30 и 4.45 эВ 20 и 100 эВ [10]. Поэтому рассмотрим наши результаты соответственно и положительна во всей области, т. е.
только для области 220 эВ.
n > k в области E =220 эВ.
Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 398 В.В. Соболев, М.А. Злобина Рис. 1 (продолжение).
Спектры четырех других функций (2, k, , E22) тельно максимумов 2 на 0.10.4 эВ. Это смещение подобны во всей широкой области энергии E = 220 эВ определяет энергию продольно-поперечного расщепле(рис. 1, b). Их наибольшие значения равны: 2 = 4.93 ния переходов.
(5.55 эВ), k = 0.99 (5.65 эВ), = 1.14 106 см-С уменьшением длины волны эффективное количе(11.60 эВ), E22 = 528.7 (эВ)2 (11.2 эВ). Смещение ство валентных электронов, участвующих в переходах, максимумов и k относительно максимумов 2 в область растет вначале (при E < 5эВ) медленно, а потом в больших энергий заметно растет с уменьшением длины области E = 814 эВ очень быстро и почти линейно волны. Положения многих максимумов спектров R и с увеличением энергии. После E 14 эВ наблюдается почти одинаковы.
переход к насыщению с neff 6.5 (E = 20 эВ).
Спектры характеристических объемных и поверхност- Максимумы основных самых интенсивных и широких ных потерь электронов также подобны (рис. 1, c). Их полос спектров возбуждения объемных и поверхностных максимумы смещены в область больших энергий относи- плазмонов w-InN расположены при 15.05 и 14.45 эВ Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. Оптические спектры и электронная структура нитрида индия Рис. 2. Интегральный спектр 2 w-InN (верхняя кривая) и его разложение на компоненты.
и, соответственно, эффективное количество валентных в области 1.516 эВ [12]. Этот спектр 2 содержит электронов neff растет в пределах полуширины полосы максимумы в окрестности максимумов нашего спекобъемных плазмонов от 4.5 до 6.25. На одну формульную тра, т. е., казалось бы, теоретические данные для единицу InN приходится пять валентных электронов. хорошо согласуются с нашими результатами. Однако Увеличенное значение neff в полосе объемных плазмонов теоретический спектр отличается от экспериментальносвидетельствует о том, что в возбуждении объемных расчетного спектра 2 отсутствием самого длинноволплазмонов принимают заметное участие, помимо пяти нового максимума и ожидаемым сильным уменьшением самых верхних валентных электронов, электроны более интенсивности 2 с ростом энергии. Последний эффект глубоких уровней. характерен для теоретических расчетов 2 и R многих кристаллов. Природа этого противоречия до сих пор еще Электрооптическая функция отрицательна в области E = 019 эВ, а функция >0 в интервалах E = 010 не объяснена [11].
и 17.520 эВ (рис. 1, d). В области E = 04эВ Методом диаграмм Арганда [11,13] интегральная кри||, т. е. в этой области наиболее актуальных моду- вая 2 w-InN разложена на компоненты в области лированных спектров вкладом изменений мнимой части E = 2130 эВ (на рис. 2 и в таблице представлены диэлектрической проницаемости можно пренебречь.
результаты для области 220 эВ). Часто силу осциВ области энергии E =60130 эВ измеренное отра- лятора fi усредняют по общему количеству валентных жение очень слабое: R 0.003 [10]. Расчетные значения электронов. В этом случае fi пропорциональна плодругих функций находятся в интервалах: 1 = 1.151.24, щади полосы Si в спектре 2(E). Но при наличии n = 1.081.11, 2 = 0.040.1, k = 0.020.05. neff(E) правильнее рассчитывать fi с учетом neff(E).
Количество валентных электронов neff с ростом энергии Оба возможных случая расчета интенсивности полос увеличивается линейно от 10 при 60 эВ до 14 при 113 эВ, представлены в таблице значениями fi и Si/Smax. В а далее испытывает небольшой скачок до 15.7 при 128 эВ. разложенном спектре диэлектрической проницаемости кроме шести полос, совпадающих с максимумами интеИтак, нами получен комплекс оптических функций гральной кривой 2, установлено еще двенадцать полос, w-InN в области E = 0130 эВ. Сопоставление наших результатов с данными расчетов n, k, 2 работ [9,10] сви- структурно не наблюдаемых в интегральных спектрах детельствует об ошибках в этих работах: лишенные физи- оптических функций. Распределение полос по интенсивческого смысла значения n < 1 в области E = 1050 эВ, ности можно рассмотреть по традиционной методике: по завышенные , 2, k в области E =24 эВ, завышенное их площади Si.
в области E =813 эВ и др.
Разложение интегрального спектра 2 на компоненты Из всех оптических функций теоретический расчет выполнено в общепринятом теоретическом представлеизвестен только для 2 (в относительных единицах) нии диэлектрической проницаемости как суммы вклаФизика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 400 В.В. Соболев, М.А. Злобина дов симметричных лоренцевских осцилляторов. Уставно- Ei разных работ иногда различаются, и это естественно.
Pages: | 1 | 2 |