Введение к работе
Актуальность темы.Исследование новых фивических явлений в полупроводниках и создание приборов тврдотельной электроники в значительной мере связаны с синтезированием материалов,обладающих неизвестными ранее свойствами.Логическим следствием развития технологии является тенденция к разработке полупроводниковых устройств на основе многослойных и периодических структур,которые обладают рядом принципиально новых по сравнению с однородными полупроводниками характеристик.Для их описания уже недостаточно фундаментальных параметров,характеризующих однородные материалы. Возникает необходимость использовать ряд дополнительных величин: геометрические размеры,ориентацию структуры относительно внешних полей,амплитуду изменения параметров и т.п.Все это расширяет возможность гибкого управления физическими свойствами полупроводниковых структур в широких пределах.
Полупроводниковые сверхрешетки /СР/ в настоящее время являются одним И8 наиболее интересных объектов в физике твердого тела. Это связано как с важным прикладным значением таких материалов так и с необычностью и разнообразием физических явлений в них происходящих.Особенно это относится к динамике и электродинамике полупроводниковых СР.
Благодаря развитию техники молекулярно-лучевой эпитак-сии,позволяющей выращивать кристаллические перемежающиеся слои двух полупроводников нанометровых пространственных периодов,первые СР были синтезированы в 1971 году.Возможность изготовления приборов твердотельной электроники была обеспечена изучением электронных свойств легированных и нелегированных СР и гетерост-руктур с множественными квантовыми ямами ( МКЯ ).
КР-спектроскопия полупроводниковых СР привлекает внимание по нескольким причинам. Она позволяет быстро оценивать их качество и , в частности, является методом изучения свертыванния акустической ветви фононной дисперсии в пределах приведенной зоны Бриллюэна, обусловленного новым периодом d структуры.Исследования последнего десятилетия убеждают в том ,что наряду с важней-
шими характеристиками фононных спектров СР, КР-спектроскопия обеспечивает измерение и ряда практически важных параметров, таких, как значения периодов СР и их флуктуации, величины механических напряжений.
Среди большого многообразия исследуемых и используемых в прикладных целях МКЯ и СР следует выделить две системы, представляющие наибольший интерес в классе соединений А3В5: это структуры GaAs-AlAs и GaAs-InAs.
МКЯ и СР GaAs - AlAs являются модельными как для значительного числа исследований эффектов размерного квантования, так и для приборных разработок. Материалы GaAs и AlAs имеют хорошо согласующиеся постоянные решеток (5.6533А" и 5.6611 А", соответственно) и.близкие коэффициенты теплового расширения (6.4*10~6К-1 и 5.2*1СГбК _1) , что позволяет получать МКЯ, СР наиболее высокого качества.
Постоянные решеток GaAs и InAs, напротив, значительно отличаются, параметр несоответствия решеток составляет 7.17. Система GaAs-InAs может быть отнесена к модельной при рассмотрении сильно напряженных СР и МКЯ . Интерес к напряженным СР, гете-роструктурам неуклонно возрастает, что обусловлено, в частности, рядом успешных приборных разработок . По этой причине система GaAs-InAs была выбрана объектом исследования в диссертационной работе. К моменту начала работы электронный спектр GaAs-InAs был изучен достаточно подробно , но полностью отсутствовали данные о фононном спектре СР GaAs-InAs.
В течение последнего десятилетия открылись перспективы широ-. кого применения стеклообразных и аморфных материалов в различных технологиях и технологических устройствах, что, в сбою очередь, привело к бурному развитию физики неупорядоченных твердых тел -стеклообразных и аморфных диэлектриков и полупроводников, металлических стекол, полимеров, композитов, керамик и пр. Выяснилось, что свойства множества неупорядоченных материалов зависят от особенностей их структуры на масштабах среднего порядка, то есть нескольких нанометров. Иными словами, тенденция к микроминиатюризации в электронике, развитие'новых, в том числе биотехнологий и т.д., привели нас к пространственным масштабам 10"7 -10~9 метра. Появились даже новые термины - наноструктура, нано-
технология. Однако ПОйск путей целенаправленного получения неупорядоченных материалов с заданными свойствами в значительной мере сдерживается недостатком знаний о закономерностях их строения на этих масштабах, о спектре элементарных возбуждений и процессах структурной релаксации. Актуальность вопроса о структуре некристаллических тел возрастает в настоящее время из-за широкого проникновения аморфных материалов в приборы микроэлектроники (солнечные батареи и др.). Более того переход микроэлектронной технологии на нанометровый уровень требует знаний о структуре аморфных материалов на масштабах среднего порядка.
Характерной чертой НЧ КРС неупорядоченных материалов является низкочастотный так называемый бозонныи пик. До последнего времени полной ясности в его происхождении не было. Развитие техники низкочастотной спектроскопии позволило наблюдать в спектрах пики, соответствующие колебаниям наночастиц, находящих-' ся в той или иной матрице. Проявление же размерных эффектов такого рода представляется важным как с точки зрения приложений -метод позволяет определять распределение по размерам нанонеодно-родностей в ультрадисперсионных средах, так и для объяснения природы низкочастотного пика. В частности, положение двух пиков - поверхностных колебаний и бозонното, соотносятся между собой приблизительно также, как линейные размеры кластера и радиуса среднего порядка с поправкой на величину упругих констант.
Исходя из вышеизложенного цель диссертационной работы была сформулирована следующим образом.
Цель работы заключалась в изучении фононного спектра низкоразмерных полупроводниковых и полимероподобных структур, а также аморфных полупроводников, относящихся к двум разным (классам методом комбинационного рассеяния света. Для достижения сформулированной цели в работе решались следующие задачи:
-
Изучение фононного спектра СР с большим отношением соседствующих слоев, что обеспечивает наблюдение процесса свертки дисперсионных ветвей акустических фононов в максимально широком диапазоне.
-
Исследование размерного эффекта на германиевых наночас-тицах в стеклообразной матрице в спектре КРС.
-
Изучение особенностей низкочастотного спектра КРС аморф-
ных углеводородных пленок. 4. Исследование спектральной формы НЧ пика в спектре аморфных полупроводников, относящихся к двум разным классам, а также условий приготовления образцов на форму спектра в халъкогенидных стеклообразных пленках. Научная новизна работы. Все основные экспериментальные результаты, сформулированные в защищаемых положениях и выводах диссертационной работы, получены впервые.
экспериментально исследованы фононные спектры в
акустическом диапазоне OP GaAs-InAs.
проведено наблюдение эффекта свертки акустических
ветвей фононной дисперсии в максимально широком диапазоне--число наблюденных дублетов достигало семи.
подбором технологических условий, получены герма-
нивые квантовые точки в прозрачной аморфной матрице, обнаружены их собственные акустические колебания.
наблюдался в полном спектральном диапазоне
КР-спектр наночастиц, не содержащий существенного вклада спектра матрицы иными словами, найдена система, наиболее удобная для изучения размерного эффекта в КР-спектроскопии.
получены данные,позволяющие предполагать полимеро-
подобность структуры аморфных углеводородных пленок.
показано, что аморфные полупроводники, относящиеся
к двум разным классам, обладают различной спектральной формой низкочастотного пика в спектре КРС.
Основные положения, выносимые на защиту: 1.Результаты экспериментального и теоретического исследования фононного спектра напряженных полупроводниковых СР на основе GaAs-InAs. Обнаружение и интерпретация спектров КРС на свернутых акустических фононах.
2.Построение дисперсии акустических фононов GaAs на основе данных КРС.
3.Обнаружение и интерпретация низкочастотных спектральных особенностей, соответствующих собственным акустическим колебаниям наночастиц германия.
4.Результаты и интерпретация данных КРС, указывающих на по-лимероподобность структуры аморфных углеводородных пленок.
5.Обнаружение и интерпретация различий низкочастотных пиков КРС в аморфных полупроводниках типа a-Ge и типа a-Se.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в разработке локального, неразрушающего, бесконтактного метода контроля ряда важных структурных параметров СР (периода, толщин слоев материалов, образующих СР). Низкочастотное КРС оказалось весьма удобным методом исследования ультрадисперсных сред с характерным размером неоднородности 1-30 нм , обладающих большой оптической нелинейностью. Как показывается в диссертации, спектры неупругого рассеяния света несут информацию о размере, форме и концентрации нанокластеров, внедренных в ту или иную матрицу, По сравнению со стандартными методами, например, малоуглового рентгеновского рассеяния, этот метод более чувствителен в области очень малых размеров, < 2 нм.
Апробация работы. Результаты, включенные в диссертацию, были представлены на:
IV Всесоюзной конференции по спектроскопии комбинационного
рассеяния света (Ужгород, 1989),'
V Международной конференции по сверхрешеткам и микрострук
турам (Берлин, 1990),
1 Всесоюзном семинаре по оптическим методам исследования потоков ( Новосибирск, 1989 ),
20 Всесоюзном съезде по спектроскопии ( Киев, 1988 ) Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 104 страницах ( включая 23 рисунка ), и списка литературы из 90 наименований.
