Динамика решетки полупроводниковых структур при проявлении эффектов упорядочения и размерного квантования во взаимосвязи с их оптическими свойствами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, доктор физико-математических наук Белогорохов, Александр Иванович

• Белогорохов, Александр Иванович
• доктор физико-математических наук
• 2001

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Белогорохов, Александр Иванович

I. Введение

II. Литературный обзор

2.1. Теоретическое и экспериментальное исследование эффектов упорядочения и микронеоднородностей в полупроводниковых твердых растворах

2.1.1. Решеточные колебания кристаллов с различными типами атомного упорядочения

2.1.2. Влияние эффектов кластерирования на свойства многокомпонентных полупроводниковых твердых растворов

2.1.3. Формирование наноструктурированных полупроводниковых материалов

2.2. Физико-химические свойства наноструктурированных и низкоразмерных полупроводниковых материалов

2.2.1. Основные методы получения пористых структур на примере пористого кремния (ПК)

2.2.2. Оксидация. Проблема стабилизации свойств ПК

2.2.3. Методы физических исследований низкоразмерных полупроводников

2.2.4. Модели, объясняющие фотолюминесценцию в пористом кремнии

2.2.5. Классификация и характеристика низкоразмерных пористых полупроводниковых материалов

2.3. Оптические и электрофизические свойства теллуридов кадмия-ртути и теллуридов кадмия-цинка. Динамика решетки

2.4. Теллурид свинца. Легирование галлием. Проявление локальных корреляционных эффектов

2.5. Влияние поверхностных химических связей на оптические свойства пористых полупроводников

2.6. Поляронные эффекты

2.7. Деградация пористых полупроводниковых структур с течением времени, под воздействием интенсивного потока квантов света и химических сред

2.8. Получение полупроводниковых структур А В в различных пористых матрицах методами химического осаждения

III. Объекты исследований. Экспериментальные методы. Математическая обработка результатов измерений. Химические методы получения низкоразмерных полупроводниковых структур

3.1. Образцы А2В6. Оптические, электрофизические свойства

3.2. Образцы теллурида свинца, легированного галлием

3.3. Образцы InxGai.xAs, выращенные на подложке полуизолирующего InP с отклонением от термодинамического равновесия

3.4. Образцы пористого кремния, полученные методом электрохимического травления

3.5. Размерные А В , полученные в матрице пористого кремния методом химического осаждения

3.6. Пористые полупроводниковые материалы

3.7. Методы инфракрасной спектроскопии, комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции

3.8. Другие экспериментальные методы исследований

3.9. Расчет решеточных колебаний твердых растворов А2В6 на основе модифицированного варианта модели однородных ячеечных смещений

3.10. Применение комплексного подхода, включающего в себя соотношения Крамерса-Кронига и дисперсионный анализ для исследования решеточных колебаний в материалах, проявляющих многоосцилляторные эффекты

3.10.1. Соотношения Крамерса-Кронига

3.10.2. Метод дисперсионных осцилляторов

3.10.3. Обобщенный метод дисперсионного анализа и соотношений Крамерса-Кронига

3.11. Генетический алгоритм

IV. Корреляционные эффекты в полупроводниковых материалах AB и А В

4.1. Упорядочение и микронеоднородности состава. Фрелиховское взаимодействие. Расчет

4.2. Экспериментальные результаты. Эффекты упорядочения в эпитаксиальных пленках InGaAs/InP

4.3. Решеточные колебательные моды в тройных полупроводниковых твердых растворах CdxHgi.xTe и Cdi.xZnxTe в случае статистически равномерного распределения компонентов в катионной подрешетке

4.4. Взаимосвязь между микронеоднородностями состава и дополнительными модами в оптических спектрах твердых растворов CdxHgi.xTe

4.5. Флуктуации потенциала, связанные с микронеоднородностями состава, в кристаллах CdxHgixTe

4.6. Оптические исследования решеточных колебаний в кристаллах Cdi-xZnxTe (0<х<0.2) в квазилокальном приближении

4.7. Вибронное взаимодействие в кристаллах ZnSe<Cr>

4.8. Межподзонное поглощение квантов света в инфракрасном диапазоне длин волн в CdTe

4.8.1. Экспериментальные результаты для CdlxZnxTe

4.9. Поглощение свободными носителями заряда

4.10. Поляронные эффекты

4.11. Пористый CdTe. Поверхностные фононы

V. Многоосцилляторные эффекты в полупроводниках А"В' легированный галлием)

5.1. Решеточные колебательные моды

5.2. Локальная мода галлия в РЬТе<Оа>

5.3. Оптические свойства теллурида свинца, легированного галлием, в температурном интервале 5К - 350К

5.4. Немонотонная зависимость плазменной частоты в РЬТе<Оа> от температуры. Проявление в оптических спектрах температурной нестабильности материала РЬТе<1п,Оа>, связанной с локальной неустойчивостью решетки теллурида

194 205 208 214 222 (РЬТе, свинца

5.5. Структура DX- подобных центров в узкозонных полупроводниках типа А4Вб, легированных элементами III группы

5.6. Фотопроводимость образцов PbTe<Ga>

5.7. Пористый низкоразмерный теллурид свинца. Влияние размерных эффектов на колебательные свойства кристаллической решетки

VI Пористые низкоразмерные кристаллы типа А3ВЭ

6.1. Ограниченные решеточные колебательные моды

6.1.1. Собственные вектора

6.1.2. Пространственно ограниченные объемные продольные моды

6.1.3. Пространственно ограниченные объемные поперечные моды

6.1.4. Поверхностные фононы

6.2. Фононные моды в квантовых нитях фосфида галлия

6.3. Фотолюминесцентные свойства

6.4. Спектры комбинационного рассеяния света в пористых материалах йаР, ОаЛБ, 1пР, ШАб

6.5. Оптические свойства пористых структур А3В5 в инфракрасном диапазоне длин волн

VII Физико-химические свойства пористого кремния и материалов А2В6, внедренных в пористые матрицы методом химического осаждения.

7.1. Фотолюминесцентные и оптические свойства пористого кремния

7.1.1. Исследование поглощения на колебательных связях

7.1.2. Поглощение на гидридных связях

7.2. Эффект пассивации поверхности кристаллитов, составляющих матрицу пористого кремния, на его оптические свойства

7.3. Оптические свойства слоев пористого кремния, полученных с использованием электролита НС1 : ОТ : С2Н5ОН

7.4. Деградация образцов ПК под действием лазерного излучения

7.5. Оптические свойства Сс18е, осажденного в матрицу пористого кремния. Роль размерных эффектов и эффектов упорядочения

7.6. Фотолюминесценция и спектры комбинационного рассеяния света в структурах ZnSe, полученных в матрице пористого кремния

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика решетки полупроводниковых структур при проявлении эффектов упорядочения и размерного квантования во взаимосвязи с их оптическими свойствами»

Актуальность темы.

В настоящее время спектроскопия низкоразмерных систем, таких как высокодисперсные полупроводниковые частицы - квазинульмерные микрокристаллы - вылилась в самостоятельную, быстро прогрессирующую область знаний, представляющую собой значительный принципиальный интерес. Вместе с тем, в последнее время все возрастающий интерес вызывает проблема создания и всестороннего исследования свойств самоорганизующихся наноструктурированных, в том числе полупроводниковых, систем. Нетривиальные свойства, которыми обладают подобные системы, позволят найти им применение порой в самых неожиданных прикладных задачах. Но для того, чтобы иметь возможность широкого практического их использования, естественно, необходимо синтезировать такие низкоразмерные структуры и провести систематические исследования колебательных, транспортных и структурных свойств подобных объектов. В большинстве случаев приходится иметь дело с абсолютно новыми объектами исследований, в связи с чем наряду с экспериментальными подходами требуется проведение модельных теоретических расчетов оптических характеристик самоорганизующихся нанокластеров с заданными свойствами. Они могут представлять собой как массивы, состоящие из собственных точечных дефектов кристаллической структуры полупроводника, из дефектных центров, сложных комплексов, включающих в себя и дефекты решетки и атомы собственных компонентов полупроводниковой матрицы. В некоторых случаях подобный подход позволяет управлять параметрами создаваемых полупроводниковых структур, обладающих свойствами, которые принципиально невозможно получить при использовании традиционных подходов. Близко к этому лежит проблема создания 7 полупроводниковых лазеров с квантовыми точками в активном слое, а также различных быстродействующих оптоэлектронных приборов.

Статистически случайное распределение компонентов твердого раствора по узлам кристаллической решетки никогда не осуществляется в реальных кристаллах из-за различия электронной структуры даже химически сходных атомов, упругих искажений кристаллической решетки и др., что может быть причиной проявления корреляционных эффектов типа упорядочения как с возникновением сверхструктур, так и с различным спонтанным объединением собственных дефектов в нанокластеры без фазовой границы с основным материалом полупроводникового сплава. В связи с этим необходимо исследовать влияние эффектов ближнего упорядочения на локальную динамику кристаллической решетки, а также распределение электронной плотности в кристалле. Информация о степени и типе такого атомного упорядочения может быть получена из характеристик оптических фононов, поэтому весьма актуальны теоретические исследования влияния ближнего порядка на полную и спектральную плотность фононных состояний для твердых растворов с различными типами упорядочения, а также пористых размерных полупроводниковых структур; проведение как численных расчетов фононных спектров псевдобинарных твердых растворов с ближним порядком; так и экспериментальных исследований колебательных свойств твердых растворов замещения материалов типа А3В5, А4В6 и 2 6

А В , полученных по различным технологиям, методами комбинационного (рамановского) рассеяния света и инфракрасной спектроскопии. Возможность экспериментального изучения пространственной неоднородности кристаллических решеток позволит понять фундаментальные причины ее возникновения и целенаправленно использовать при конструировании приборов нового поколения. 8

В последнее время вновь обострился интерес к многокомпонентным полупроводниковым твердым растворам, что обусловлено появившейся возможностью создания в объеме материала квантово-размерных структур различной геометрии (квантовые точки, нити, ямы). Чтобы иметь возможность конструировать подобные структуры с заданными свойствами и повысить эффективность их функционирования, необходимо решить ряд вопросов, связанных с разработкой новых подходов к исследованию их свойств. На примере изменения кинетических и оптических свойств материала при переходе от объемного полупроводника к тонкой пленке можно легко убедиться, что простая адаптация трехмерных характеристик кристалла при уменьшении его размера к, скажем, двумерному случаю не позволяет адекватно описать все наблюдающиеся в экспериментах изменения свойств полупроводника. В связи с этим возникает потребность в разработке новых теоретических и экспериментальных подходов к изучению эффектов, управляющих процессами локального образования областей в объеме кристалла, в которых проявляются эффекты размерного квантования, существенно влияющие на локальную динамику решетки, кинетические, оптические и другие свойства полупроводника. С другой стороны, синтезировать различными методами полупроводниковые материалы с пониженной размерностью. Совместный анализ результатов исследований подобных объектов, проведенных как бы с двух разных исходных позиций, позволил бы глубже понять свойства как объемных реальных полупроводниковых твердых растворов, так и кристаллов, в которых при понижении их размерности могут наблюдаться эффекты размерного квантования.

Чтобы иметь возможность проследить степень влияния эффектов размерного квантования на динамику решетки нанокластеров и их оптические свойства, необходимо, во-первых, создать структуры, имеющие размеры порядка нескольких 9 десятков нанометров, во-вторых, разработать модельные подходы для адекватного описания их оптических и колебательных свойств, затем детально исследовать колебания атомов в объеме и на поверхности кристаллитов, и, далее, адаптировать полученные данные к случаю объемных материалов, в которых могут проявляться эффекты локального упорядочения в пределе их малых размеров. В последние 7-8 лет пристальный интерес исследователей направлен на создание и изучение материалов, состоящих из структур, имеющих пониженную размерность (квантовые точки, квантовые нити и т.д.). Одними из таких объектов исследований являются пористые полупроводники, в том числе пористый кремний. Помимо значительного самостоятельного интереса, они, обладая гигантской развитой поверхностью (отношение количества атомов, формирующих объем кристаллитов, к числу поверхностных атомов может быть равным служат объектами фундаментальных исследований, позволяющими подойти с другой стороны к решению ряда проблем физики полупроводников, в которых проявляются эффекты самоорганизации и корреляционные взаимодействия. Изучая их оптические свойства, можно понять, как будут влиять микронеоднородности различного типа на свойства полупроводниковых структур в целом, а также степень влияния поверхности кристаллитов на флуктуацию поляризации в различных кристаллографических направлениях и понять как изменится локальная динамика решетки при влиянии выше названных корреляционных эффектов.

Цель работы.

Всестороннее исследование оптических, колебательных и структурных свойств реальных полупроводниковых кристаллов, в которых имеют место корреляционные эффекты различного типа (упорядочение, кластерирование, микронеоднородности (МН), связанные с нарушениями структуры материала,

10 квазистатические флуктуации состава, длиннопериодические модуляции структуры), выявление особенностей динамики их кристаллической решетки. Установление взаимосвязи между природой МЫ и их размерами, вплоть до проявления эффектов размерного квантования, на оптические и фотоэлектрические свойства структурно-неоднородных полупроводниковых, в том числе легированных, материалов. Изучение фундаментальных закономерностей проявления эффектов упорядочения в колебательных спектрах многокомпонентных полупроводниковых твердых растворов замещения.

Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие научные задачи:

1. Провести комплекс экспериментальных исследований оптических и транспортных свойств полупроводниковых твердых растворов СсГГе, Сс1хН§1хТе, Сс11.хгпхТе, Оа1.х1пхАз, ОаР, 1пР, ОаАв, 1пАэ, РЪТе, 81, Сс18е, гп8е;

9 (л

2. На примере твердых растворов (ТР) полупроводниковых материалов типа А В и А3В5 изучить связь их оптических свойств с особенностями строения решетки, примесным составом и флуктуациями состава;

3. Провести сравнительный анализ теоретических и экспериментальных колебательных свойств ТР для выяснения природы и причин возникновения корреляционных эффектов разного типа;

4. Установить причины и характер изменения локальной динамики решетки в области примесных центров на примере полупроводника РЬТе, легированного галлием, и 2п8е, легированного хромом;

5. Развить модельные представления о колебательных свойствах полупроводников с пониженной размерностью; для достижения этой цели синтезировать и исследовать новые пористые полупроводниковые структуры; провести и сопоставление полученных экспериментальных данных с теоретическими представлениями, определить параметры теоретических моделей. Исследовать влияние поверхностных атомов на колебательные свойства пористых полупроводников.

6. Провести детальное изучение фононных спектров полупроводниковС(18, Ссйе и гпБе пониженной размерности, синтезированных в матрице пористого кремния. В качестве объектов исследования в настоящей работе в основном использовались материалы, в которых наблюдаются эффекты упорядочения различного типа, эффекты самоорганизации примесных центров, и микрокристаллитов. Особый интерес представляют полупроводниковые объекты, в которых в той или иной мере сказываются эффекты размерного квантования. Такой выбор обусловлен тем обстоятельством, что в подобных объектах исследования наиболее ярко проявляется влияние вышеназванных факторов на их оптические, фотоэлектрические и колебательные свойства, что позволяет получить уникальную информацию о природе наблюдаемых явлений. Научная новизна и положения, выносимые на защиту.

Научная новизна работы состоит в развитии и обобщении физических представлений о взаимосвязи оптических и фотоэлектрических свойств полупроводниковых твердых растворов, широко используемых в различных современных оптоэлектронных приборах, с характером изменения локальной динамики решетки и с влиянием корреляционных эффектов и эффектов самоорганизации составляющих ТР атомов (в число которых могут входить примеси, дефекты) в их объеме. В изучении изменения колебательных и оптических свойств исследуемых полупроводниковых материалов в пределе проявления эффектов размерного квантования.

12

Практическая значимость работы. Разработан и апробован пакет программ расчета оптических характеристик исследуемых материалов, в основу которого заложен генетический алгоритм. Он может успешно использоваться для прецизионного анализа сложных спектральных зависимостей полупроводниковых твердых растворов. Получены новые данные о перестройке колебательных спектров

2 6 3 5 узкозонных полупроводниковых твердых растворов типа А В и А В при влиянии эффектов самоорганизации (кластерирования) или упорядочения. Подобные материалы имеют большое практическое значение, т.к. являются основными при конструировании оптоэлектронных приборов, работающих в инфракрасном диапазоне длин волн. По результатам данной работы можно выработать практические рекомендации по улучшению структурной, оптической однородности названных полупроводников или, принимая во внимание их нестандартные свойства, разработать новые приборы.

Получены слои пористого кремния (ПК), в которых наблюдается интенсивная фотолюминесценция и которые проявляют стабильные оптические свойства как в течение длительного (12 месяцев) времени, так и под действием интенсивного

2 6 лазерного воздействия. Внедрение в матрицу ПК полупроводников типа А В

2 6 позволило, с одной стороны, создать массив размерного полупроводника А В , с другой стороны, подойти к решению проблемы создания внедренных омических контактов к массиву нанокристаллитов, составляющих матрицу пористого кремния.

Кремний является одним из наиболее распространенных полупроводниковых материалов в природе. В настоящее время технология его получения, очистки, легирования и т.д., практически в совершенстве отработана, стоимость подобной технологии невысока. Помимо этого, подробно и наиболее полно изучены физико-химические свойства монокристаллического объемного кремния. Все вместе взятое

13 привело к тому, что Si и его модификации в данный момент являются самыми используемыми и дешевыми материалами в современном мире микроэлектроники.

Процесс получения пористого кремния практически не требует использования дополнительного дорогостоящего оборудования или больших материальных затрат на разработку новых технологических подходов. Тем не менее, как ожидается, на основе пористого кремния можно создать новые дешевые эффективные светоизлучающие приборы, работающие в видимом диапазоне длин волн. Дополнительно к этому, матрица пористого кремния может быть использована как эффективная среда для создания свето-, газочувствительных элементов благодаря большой удельной поверхности нанокристаллитов, составляющих подобную матрицу.

Основу настоящей диссертации составили результаты экспериментальных исследований, выполненных в период с 1988 по 2000 год в соответствии с планом научно-исследовательских работ ГНЦ РФ Гиредмет. Последние этапы работы проводились либо в рамках проектов РФФИ, либо при частичной поддержке РФФИ (96-02-18853, 95-03-08220, 95-02-04658-а, 95-02-04510, 96-02-16275-а, 00-02-17104), INTAS (95-1136, 93-1327), IFS (МВВ-300), МНТЦ (17672/1).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту: полученные экспериментальные данные по дисперсионным зависимостям колебательных решеточных мод в инфракрасном диапазоне длин волн сложных полупроводниковых твердых растворов замещения, группы пористых полупроводниковых кристаллов А2В6, А3В:' и А4В6; модель, позволяющая объяснить обнаруженные изменения формы и спектрального положения ряда фононных мод в полосе решеточного поглощения

14 полупроводниковых твердых растворов. связанные с проявлением корреляционных эффектов в их объеме; обнаруженная корреляция между изменениями физико-химических свойств поверхности кристаллитов и оптическими свойствами полупроводниковых материалов в пределе экстремально малых их размеров при проявлении эффектов размерного квантования; метод анализа пространственной однородности полупроводниковых кристаллов по их колебательным спектрам; обнаруженные особенности в оптических спектрах РЬТе<Оа> при температурах, близких 70К. для описания которых в дисперсионные зависимости диэлектрической проницаемости необходимо ввести дополнительный осциллятор, появление которого можно объяснить оптическими переходами между одно- и двухэлектронными примесными состояниями галлия. Установлено, что в спектрах фотопроводимости РЬТе<Оа> со стабилизированным уровнем Ферми имеет место селективный пик, положение которого совпадает с частотой продольного оптического фонона объемного теллурпда галлия: механизм влияния локальной неустойчивости решетки теллурида свинца, легированного галлием, на его оптические и фотоэлектронные свойства. Обнаруженное смягчение моды поперечного оптического фонона в инфракрасных спектрах РЬБиТе и РЬТе, легированных индием и галлием. Полученные данные об аномалии в температурных зависимостях плазменной частоты в РЬТе<Оа>, что объяснятся с позиций изменения локальной динамики решетки теллурида свинца в окрестности примесного центра;

15 метод получения слоев пористого низкоразмерного кремния (когда средний радиус нанокристаллитов соизмерим с радиусом связанного экситона в кремнии). Для достижения этой цели использовался электролит НР:НС1:С2Н5ОН, что позволило получить слои пористого кремния, проявляющие интенсивную фотолюминесценцию (на два порядка выше, чем при использовании электролита НР:С2НзОН). При этом установлено, что на поверхности нанокристаллитов, составляющих пористый слой таких образцов, образуется тонкий (2-3 монослоя) стехиометрический бездефектный слой 8102, который препятствует любой дальнейшей перестройке поверхностных состояний кристаллитов. Проведенные оценки показали, что пористый слой представляет собой массив ориентированных квантовых нитей цилиндрической геометрии. Установлено, что образцы пористого кремния, полученные с добавлением НС1 в электролит, проявляли стабильные оптические свойства как в течение длительного времени (12 месяцев и более), так и под действием интенсивного излучения Аг+ лазера; обнаруженная интенсивная фотолюминесценция в слоях пористых низкоразмерных полупроводников группы А^ВЭ в видимом диапазоне длин волн. По сдвигу фононных линий в спектрах комбинационного рассеяния света проведена оценка среднего диаметра нанокристаллитов. Проведен детальный анализ спектров отражения в области полосы решеточных колебаний пористых фосфида галлия, арсенида галлия, фосфида индия, арсенида индия, теллурида кадмия, теллурида свинца. Существенные изменения оптических спектров вызваны влиянием дополнительных фононных колебаний, возникающих вследствие снятия вырождения в полупроводниковых нанокристаллитах, когда значение их среднего диаметра уменьшается до ЮОА, а также на трансформацию решеточных колебаний объемных материалов. Количество и сила осцилляторов

16 квантово-размерных фононных мод зависит от геометрии самих кристаллитов (сферическая, пирамидальная - квантовые точки, цилиндрическая - квантовые нити); механизм влияния локального флуктуационного потенциала, связанного с присутствием в материале CdxHgi-xTe микронеоднородностей, на «аномальное» поведение температурной зависимости края основного поглощения.

Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, и ее научные положения докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Всесоюзной конференции «Диагностика поверхности» (Каунас, 1986), VII Всесоюзной конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» (Москва, 1988), III Всесоюзной конференции по физико-химическим основам технологии сегнетоэлектрических и родственных материалов (Звенигород, 1988), VIII Всесоюзной конференции по методам получения и анализа высокочистых веществ (Горький, 1988), Всесоюзной конференции «Поверхность-89» (Черноголовка, 1989), II Всесоюзном семинаре «Примеси и дефекты в узкозонных полупроводниках» (Павлодар. 1989), XII Всесоюзном совещании «Применение колебательных спектров к исследованию неорганических и координационных соединений» (Минск, 1989), VII Всесоюзном симпозиуме по плазме и неустойчивостям в полупроводниках (Паланга, 1989), IX Феофиловском симпозиуме по спектроскопии кристаллов, активированных ионами редкоземельных и переходных металлов (Ленинград, 1990), XII Всесоюзной научно-технической конференции «Неразрушающие физические методы контроля» (Свердловск, 1990), XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев. 1990). Всесоюзной конференции «Многослойные структуры на основе

17 узкозонных полупроводников» (Нукус,1990), VI Int. Conf. on Valence Fluctuations (Rio de Janeiro, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции «Перспективные материалы твердотельной электроники. Твердотельные преобразователи в автоматике и робототехнике» (Минск, 1990), 8-th Int. Conf. on Fourier Transform Spectroscopy (Lubeck, Germany, 1991, ) VIII Всесоюзном симпозиуме по полупроводникам с узкой запрещенной зоной и полуметаллам (Львов, 1991), III Всесоюзной конференции «Материаловедение халькогенидных полупроводников» (Черновцы, 1991), Materials Research Society (MRS)-Fall Meetings (Boston, USA, 1990, 1991, 1993, 1994, 1997), 21-st Int. Conf. on the Physics of Semiconductors (ICPS-22, Beijing, China, 1992), Первой национальной конференции «Дефекты в полупроводниках» (Санкт-Петербург, 1992), E-MRS Spring Meetings (Strasbourg, France, 1993, 1994, 1995, 1998), 9-th Int. Conf. on Fourier Transform Spectroscopy (Calgary, Canada, 1993), I Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Е1овгород, 1993), I-st Int. Conf. on Physics of Low-Dimensional Structures (Chernogolovka, RF, 1993), 2-nd Int. Conf. on Thin Film Physics and Applications (Shanghai, China, 1994), Scandinavian Symposium on Infrared and Raman Spectroscopy (Bergen, Norway, 1994), III Int. Conf. on Millimeter Wave and Far Infrared Science and Technology (Guangzhou, China, 1994), First Int. Conf. on Materials for Microelectronics (Barcelona, Spain, 1994), Int. Conf. on Ion Implantation Technology (Catania, Italy, 1994), VIII Int. MBE Conference (Osaka, Japan, 1994), Materials Research Society (MRS)-Spring Meetings (San-Francisco, USA, 1995, 1996), Int. Conf. on Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto- Micro- and Quantum Electronics (Kiev, Ukraine, 1995), XVI11 Int. Conf. on Defects in Semiconductors (Sendai, Japan, 1995), 10th Int. Conf. on Fourier Transform Spectroscopy (Budapest, Hungary, 1995), VII Int. Conf. on IFVI Compounds and Devices (Edinburg, UK, 1995), VII Brazilian Workshop on

18

Semiconductor Physics (Rio de Janeiro, Brazil, 1995), European Seminar on Infrared Spectroscopy (France, 1995), Int. School-Conf. on Physical Problems in Material Science of Semiconductors (Chernovtsy, Ukraine, 1995), Int. Conf. on Advanced Materials for Optics and Optoelectronics (ALT-95, Prague, ChR, 1995), IV Russian-German-Ukrainian Analytical Symposium (Sofrino, RF, 1996), XXII Symposium on Polymer Spectroscopy (Lyon, France, 1996), XXIII European Congress on Molecular Spectroscopy (Balatonfured, Hungary, 1996), Int. Semiconductor Conference (Bucharest, Romania.

1996), 8-th Brazilian Workshop on Semiconductor Physics (Aguas de Lindoia, Brazil,

1997), VIII Int. Conf. on Narow Gap Semiconductors (Shanghai, China, 1997), IX Int. Conf. on Semiconductor Microstructures and Microdevices (Nebraska, USA, 1997), The 1999-US Workshop on the Physics and Chemistry of II-VI Materials (Charleston, South Carolina, USA, 1998), XX Encontro Nacional de Fisica da Materia Condensada (Caxambu, Brasil, 1997), XV Международной Конференции по фотоэлектронике, электронным и ионно-плазменным технологиям (Москва, 1998), 24-th Int. Conf. on Physics of Semiconductors (ICPS-24, Jerusalem, Izrael, 1998), III Int. Conf. on Low Dimensional Structures and Devices (Antalya, Turkey, 1999), 25-th Int. Conf. on Physics of Semiconductors (ICPS-25, Osaka, Japan, 2000).

Публикации. По теме диссертации имеется 172 публикации. Основные результаты работы опубликованы в 68 статьях.

19

Заключение диссертации по теме «Физическая химия», Белогорохов, Александр Иванович

378 Выводы

- Всесторонне исследованы оптические, колебательные и структурные свойства реальных полупроводниковых кристаллов, в которых имеют место корреляционные эффекты различного типа (упорядочение, кластерирование, микронеоднородности (МН), связанные с нарушениями структуры материала, квазистатические флуктуации состава, длиннопериодические модуляции структуры). Выявлены особенности динамики кристаллической решетки подобных полупроводниковых материалов. Установлена взаимосвязь между природой МН и их размерами, вплоть до проявления эффектов размерного квантования, на оптические и фотоэлектрические свойства структурно- неоднородных полупроводниковых, в том числе легированных, материалов. Изучены фундаментальные закономерности проявления эффектов упорядочения в колебательных спектрах многокомпонентных полупроводниковых твердых растворов замещения;

- развиты и обобщены физические представления о взаимосвязи оптических и фотоэлектрических свойств полупроводниковых твердых растворов, широко используемых в различных современных оптоэлектронных приборах, с характером изменения локальной динамики решетки и с влиянием корреляционных эффектов и эффектов самоорганизации составляющих полупроводниковые твердые растворы атомов (в число которых могут входить примеси, дефекты) в их объеме. Изучен характер изменений колебательных и оптических свойств исследуемых полупроводниковых материалов в пределе проявления эффектов размерного квантования;

- получены экспериментальные данные по дисперсионным зависимостям в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн группы пористых полупроводниковых кристаллов типа А2В6, А3В5 и А4В6;

379

- обнаружены изменения формы и спектрального положения ряда фононных мод в полосе решеточного поглощения исследованных полупроводниковых материалов, связанные с проявлением корреляционных эффектов в их объеме; проведены расчеты положения решеточных колебательных мод в полупроводниковых твердых растворах замещения Сё1хНдхТе и 7п].хСс1хТе в зависимости от состава материала как в рамках модели идеальной кристаллической решетки, так и с учетом микронеоднородностей различной природы. Получено удовлетворительное согласие с экспериментальными результатами;

- в оптических спектрах и спектрах фотопроводимости (ФП) кристаллов Сё].хЩхТе с определенной концентрацией свободных носителей заряда наблюдались немонотонные зависимости смещения края основного поглощения и максимума ФП с понижением температуры образца. Подобные результаты имеют место при наличии в исследованных кристаллах флуктуаций потенциального рельефа;

- в материалах Сс11.хЩхТе и ZnlxCdxTe теоретически рассчитано и экспериментально исследовано влияние межподзонных переходов носителей заряда в валентной зоне на их оптические свойства;

- обнаружены дополнительные моды фононных колебаний в оптических спектрах низкоразмерных полупроводниковых материалов. Природа их появления объясняется с позиций проявления размерных эффектов с учетом геометрических форм нанокристаллитов, составляющих подобные материалы;

- проведены расчеты спектрального положения дополнительных колебательных мод в оптических спектрах квантовых нитей фосфида и арсенида галлия цилиндрической формы. Сравнение с экспериментальными результатами, полученными в области фононного резонанса в дальней инфракрасной области спектра, подтвердило правильность выбранного теоретического подхода;

380

- обнаружено влияние состояния и свойств поверхности кристаллитов на оптические свойства полупроводниковых материалов в пределе экстремально малых размеров при проявлении эффектов размерного квантования;

- обнаружено смягчение моды поперечного оптического фонона в ИК- спектрах РЬ8пТе и РЬТе, легированных индием и галлием;

- представлен метод анализа пространственной однородности полупроводниковых кристаллов по их колебательным спектрам;

- впервые получены данные о температурных зависимостях плазменной частоты в РЬТе<Оа>. Немонотонный характер их поведения в области температур 60К-70К объясняется с позиций изменения локального кристаллического окружения примесного атома галлия;

- впервые в спектрах отражения РЬТе<Оа> при температурах, близких 70К, обнаружена особенность, для описания которой в дисперсионную зависимость диэлектрической проницаемости необходимо ввести дополнительный осциллятор, природу появления которого объясннена с позиций оптических переходов между одно- и двухэлектронными примесными состояниями галлия;

- установлено, что в спектрах фотопроводимости РЬТе<ва> со стабилизированным уровнем Ферми имеет место селективный пик, положение которого совпадает с частотой продольного оптического фонона объемного теллурида галлия;

- обнаружено, что использование электролита ШШСЬСгНзОН позволило получить слои пористого кремния, проявляющие интенсивную фотолюминесценцию (на два порядка выше, чем при использовании электролита Ш^СгНбОН). Установлено, что на поверхности нанокристаллитов, составляющих пористый слой таких образцов, образуется тонкий (3-4 монослоя) стехиометрический слой БЮг, который препятствует любой дальнейшей перестройке поверхностных состояний

381 кристаллитов. Проведенные оценки показали, что пористый слой представляет собой массив ориентированных квантовых нитей цилиндрической формы со средним диаметром ~ 2.0 - 2.3 нм. Установлено, что образцы пористого кремния, полученные с добавлением НС1 в электролит, проявляли стабильные оптические свойства как в течение длительного времени (12 месяцев и более), так и под действием интенсивного излучения Аг+ лазера с плотностью мощности до 5 Вт/см2;

- обнаружена интенсивная фотолюминесценция в слоях пористого низкоразмерного фосфида галлия в видимом диапазоне длин волн (ка> = 2.3 эВ). По сдвигу фононных линий в спектрах комбинационного рассеяния света проведена оценка среднего диаметра нанокристаллитов (-4.5 нм);

- проведен детальный анализ спектров отражения в области полосы решеточных колебаний пористых фосфида галлия и индия, арсенида галлия и индия, теллурида кадмия, теллурида свинца. Существенные изменения оптических спектров вызваны влиянием дополнительных фононных колебаний, которые возникают вследствие снятия вырождения в полупроводниковых кристаллитах при уменьшении их размера до 100П, на трансформацию решеточных колебаний объемных материалов. Количество и сила осцилляторов квантово-размерных фононных мод зависит также и от геометрии самого кристаллита (сферическая, пирамидальная - квантовые точки, цилиндрическая - квантовые нити);

- изучено влияние локального флуктуационного потенциала, связанного с присутствием в материале Сс1хН§1.хТе микронеоднородностей, на «аномальное» поведение температурной зависимости края основного поглощения;

- выявлен механизм влияния локальной неустойчивости решетки теллурида свинца, легированного галлием, на его оптические и фотоэлектронные свойства;

383

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Белогорохов, Александр Иванович, 2001 год

1. А.И.Белогорохов, Э.М.Омельяновский, А.В.Пахомов, А.Я.Поляков. О природе тонкой структуры в спектрах решеточного отражения арсенида галлия. ФТТ. 1987. Т. 29. Вып. 10. С. 2886-2889.

2. А.И.Белогорохов. Определение параметров зонной структуры материала Сс1хН£|.хТе по спектрам отражения в дальней ИК- области. В сб. «Спектральные методы решения проблем физики твердого тела» под ред. Г.Н.Жижина. М.: ИСАИ. 1988. С. 46-80.

3. А.И.Белогорохов, А.Г.Белов, С.А.Белоконь, Г.М.Зингер, А.И.Рыскин. Влияние нарушенного поверхностного слоя на спетры отражения РЬТе-1п. Поверхность. Физика, химия, механика. 1988.

4. Ф.Г.Алиев. А.И.Белогорохов, Н.Б.Брандт, В.В.Козырьков, Р.В.Сколоздра. Ю.В.Стаднык. Оптические свойства вакансионных решеток МшБп (М=П, Ъх, НО. Письма в ЖЭТФ. 1988. Т. 47. Вып. 3. С. 151-153.

5. А.И.Белогорохов, А.Г.Белов, Е.А.Виноградов, Е.П.Рашевская. Расчет параметров свободных носителей заряда для твердых растворов СсУ^-Де. Препринт № 156 ФИАН им. П.Н.Лебедева. 1988. 37с.

6. А.И.Белогорохов, А.Г.Белов, Е.П.Рашевская. Влияние свободных носителей заряда на спектры отражения твердых растворов CdxIIgi.xTe в далекой ИК области. Оптика и спектроскопия. 1990. Т. 69. Вып. 1. С. 139-143.

7. А.И.Белогорохов. Проявление в оптических спектрах температурной нестабильности системы PbTe<In,Ga>, связанной с локальной неустойчивостью решетки теллурида свинца. ФТТ. 1991. Т. 33. Вып. 11. С. 3199-3204.

8. А.И.Белогорохов. Поведение коэффициента поглощения, обусловленного переходами в валентной зоне, в CdTe в диапазоне температур 5-400К. ФТТ. 1992. Т. 34. Вып. 4. С. 1045-1051.

9. A.I.Belogorokhov. Optical study of the CdTe crystals in Far Infrared region al temperatures (5-500)K. In: Wide Band Gap Semiconductors. 1992. V. 242. P. 303-307.

10. A.I.Belogorokhov, A.Yu.Khar'kovsky. The application of LAMMA-1000 to the elemental analysis of CdTe compound. Materials Research Society Symposia Proceedings. 1992. V. 242. P. 299-301.

11. A.c. № 1637519 СССР «Способ определения состава полупроводникового материала CdxHgUxTe для 0.21 <х<0.25». А.И.Белогорохов, И.Б.Левин, Е.П.Рашевская, Н.В.Пашкова.

12. A.c. № 1380544 СССР «Способ определения концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковом материале CdxHgixTe». А.И.Белогорохов, А.Г.Белов. Г.П.Рашевская, Р.Р.Резванов.

13. A.c. № 1584645 СССР «Способ изготовления многослойных кремниевых структур». А.И.Белогорохов, А.Б.Данилин, В.Н.Мордкович.419

14. A.I.Belogorokhov, I.I.Ivanchik, D.R.Khokhlov. Photoconductivity spectra of the new-infrared photodetector. SPIE. 1991. V. 1575. P. 558-559.

15. Е.В.Соловьева, Д.Т.Гогаладзе, А.И.Белогорохов, Л.М.Долгинов. М.Г.Мильвидский. Особенности фононного спектра эпитаксиальных слоев InxGa,.xAs. Письма в ЖТФ. 1991. Т. 17. Вып. 7. С. 21-24.

16. А.И.Белогорохов, Л.И.Белогорохова, А.Г.Белов, Е.П.Рашевская. Плазменный резонанс свободных носителей заряда и оценка некоторых параметров зонной структуры материала CdxHg,.xTe. ФТП. 1991. Т. 25. Вып. 7. С. 1196-1203.

17. А.И.Белогорохов, С.А.Белоконь, И.И.Иванчик, Д.Р.Хохлов. Особенности спектров ИК- отражения PbTe(Ga). ФТТ. 1992. Т. 34. Вып. 9. С. 2966-2968.

18. A.I.Belogorokhov, L.I.Belogorokhova. Application of so-called «negative beam» fourier transform spectroscopy to the investigation of semiconductors. SPIE. 1993. V. 2089. P. 296-297.

19. А.И.Белогорохов, Л.И.Белогорохова. Инфракрасная спектроскопия сильнолегированного компенсированного материала CdxHgt„xTe с узкой запрещенной зоной. ФТТ. 1994. Т. 36. Вып. 8. С. 2230-2241.

20. А.И.Белогорохов, Л.И.Белогорохова. Резонансные поляронные инфракрасные колебания в полупроводниках CdxHgixTe. ФТТ. 1994. Т. 36. Вып. 7. С.1881-1888.

21. N.Mestres, J.M.Calleja, F.G.Aliev, A.I.Belogorokhov. Electron localization in the disordered conductors TiNiSn and HfNiSn observed by Raman and Infrared spectroscopies. Solid State Communications. 1994. V. 91. N. 10. P. 779-784.

22. А.И.Белогорохов, В.А.Караванский, А.Н.Образцов, В.Ю.Тимошенко. Интенсивная фотолюминесценция в пористом фосфиде галлия. Письма в ЖЭТФ. 1994. Т. 60. Вып. 4. С. 262-266.

23. А.И.Белогорохов, Л.И.Белогорохова, В.А.Караванский, А.Н.Образцов. ИК-спектроскопия и фотолюминесцентные свойства пленок пористого кремния: влияние режимов формирования. ФТП. 1994. Т. 28. Вып. 8. С. 1424-1430.

24. A.I.Belogorokhov, L.I.Belogorokhova, V.A.Karavanskii. Infrared analysis of porous silicon: a comparison of various preparation conditions. SPIE. V. 2364. P. 156-162.

25. A.I.Belogorokhov, L.I.Belogorokhova, V.A.Karavanskii. FTIR spectroscopy of porous silicon. Physics of Low-Dimensional Structures. 1994. V. 10. P. 53-60.

26. A.I.Belogorokhov, E.V.Solov'eva, M.G.Mil'vidskii, A.N.Osipova. Clustering and strain influence on the optical and vibrational properties of Ino.53Gao.47As/InP epitaxial heterostructures. SPIE. 1994. V. 2364. P. 381-386.

27. Е.В.Соловьева, М.Г.Мильвидский, В.А.Кусиков, А.Н.Осипова, А.И.Белогорохов. Явление внешних упругих напряжений на спектр длинноволновых оптических фононов в твердом растворе InxGaixAs. Письма в ЖТФ. 1994. Т.20. Вып.20. С.32-37.

28. A.B.Villaflor, K.Shimomura, K.Kawamura, A.I.Belogorokhov, M.Kimata. MBE grown CdTe/a-Sn/CdTe single quantum well structures. J.Crystal Growth. 1995. V. 150. P. 779-784.

29. А.Г.Белов, А.И.Белогорохов, В.М.Лакеенков, Л.М.Либерант, Н.А.Смирнова. О некоторых особенностях спектров отражения CdixZnxTe в дальней инфракрасной области спектра. ФТП. 1996. Т. 30. Вып. 3. С. 484-487.

30. A.l.Belogorokhov, A.B.Danilin, L.I.Belogorokhova, V.A.Karavanskii. Optical properties of photoluminescent porous gallium phosphide. Proceed, of the 19lh Intern. Semiconductor Conf., Bucharest, Romania. 1996. P. 55-59.

31. A.l.Belogorokhov, I.I.Ivanchik, D.R.Khokhlov, S.Ponomarev. Local lattice mode-induced Far- Infrared selective photoconductivity in PbTe<Ga>. Brazilian J.of Physics. 1996. V. 26. N. 1. P. 308-313.

32. А.И.Белогорохов, В.А.Караванский, Л.И.Белогорохова. Взаимосвязь между сигналом фотолюминесценции и поверхностными состояниями пористого кремния, в том числе "свободных" пленок пористого кремния.ФТП. 1996. Т.30. Вып.7. С.1177-1185.

33. А.И.Белогорохов, И.И.Иванчик, С.В.Пономарев, Е.И.Слынько, Д.Р.Хохлов. Селективная фотопроводимость в PbTe(Ga), индуцированная локальной фонолной модой. Письма в ЖЭТФ. 1996. Т. 63. Вып. 5. С. 342-346.

34. А.И.Белогорохов, А.Г.Белов, В.М.Лакеенков. Расчет фононного спектра твердого раствора CdxHgi.xTe на сонове модифицированного варианта модели однородных ячеечных смещений. Автометрия СО РАН. 1996. Вып. 5. С. 8-13.

35. А.И.Белогорохов, Л.И.Белогорохова, А.Г.Белов, В.М.Лакеенков. Температурные зависимости оптических и фотоэлектрических параметров твердых растворов CdxHgi.xTe (0.35<х<0.40). Автометрия СО РАН. 1996. Вып. 5. С. 3-7.

36. A.l.Belogorokhov, M.G.Mil'vidskii. A.N.Osipova. Growth and properties of thin InGaAs epitaxial layers on InP. J.of Molecular Structure. 1997. V. 410-411. P. 253-257.

37. A.I.Belogorokhov, J.R.Leite, L.I.Belogorokhova. Transition between heavy hole -light hole states in the valence band of CdTe at temperatures 5K-350K. Brazilian J.of Physics. 1997. V. 27. N. 4. P. 332-335.

38. A.1.Belogorokhov, R.Enderlein, A.Tabata, J.R.Leite, V.A.Karavanskii, L.I.Belogorokhova. Enhanced photoluminescence from porous silicon formed by nonstandard preparation. Physical Review (B). 1997. V. 56. N. 16. P. 10276-10282.

39. A.I.Belogorokhov, A.G.Belov, V.M.Lakeenkov, L.I.Belogorokhova. Optical and photoelectric properties of CdxHgixTe solid solutions (0.35<x<0,40). Applied Physics Letters. 1998. V. 72. N. 5. P. 516-518.

40. А.И.Бело. орохов, Л.И.Бслогорохова, А.Е.Белов, В.М.Лакеенков, Н.А.Смирнова. Оптические исследования решеточных колебаний в кристаллах Cd|xZnxTe (0<.v<0.2) в квазилокальном приближении. Автометрия СО РАН. 1998. Вып.З. С.69-76.

41. А.И.Белогорохов, В.А.Кульбачинский, П.Д.Марьянчук, И.А.Чурилов. особенности спектров отражения в дальней инфракрасной области полумагнитных полупроводников HgixMnxTei.ySey. ФТП. 1998. Т. 32. Вып. 5. С. 546-548.

42. А.И.Белогорохов, И.И.Иванчик, 3.Попович, Н.Ромчевич, Д.Р.Хохлов. Структура DX- подобных центров в узкозонных полупроводниках А4В6, легированных элементами III группы. ФТП. 1998. Т. 32. Вып. 6. С. 679-683.

43. A.I.Belogorokhov, N.I.Afanasyeva. V.D.Blank. Phonon spectra of metastable C-60 systems obtained under high-energy impacts. J.Appl. Phys. 1998. V. 84. N.l. P. 657-659.

44. A.I.Belogorokhov, L.I.Belogorokhova, D.R.Khokhlov. Nonmonotonous behavior of temperature-dependence of plasma frequency and effect of a local instability of the PbTe:In,Ga lattice. Materials Research society Symposia Proceedings.!998.V.484.P.383

45. А.И.Белогорохов, Л.И.Белогорохова, В.М.Лакеенков. Взаимосвязь между микронеоднородностями состава и дополнительными модами в оптических спектрах твердых растворов полупроводников. Автометрия СО РАН. 1998. Вып. 4. С. 73-80.

46. А.И.Белогорохов, Л.И.Белогорохова, В.М.Лакеенков. Фотостимулированное образование двойных поляронов в CdTc. Автометрия СО РАН. 1998. Вып. 5. С. 9296.

47. A.I.Belogorokhov, L.I.Belogorokhova, A.Perez-Rodriguez, J.R.Morante, S.Gavrilov. Optical characterization of porous silicon embedded with CdSe nanopaticles. Appl. Phys. Lett. 1998. V. 73. N. 19. P. 2766-2768.

48. A.I.Belogorokhov, I.I.Ivanchik, D.R.Khokhlov. PbTe(Ga)-new multispectral infrared photodetector. Materials Research society Symposia Proceedings. 1998. V.484. P.301-306.

49. А.И.Белогорохов, Л.И.Белогорохова. Оптические свойства слоев пористого кремния, полученных с использованием электролита НС1: HFiCallsOIL ФТП. 1999. Т. 33. Вып. 2. С. 198-205.

50. А.И.Белогорохов. Л.И.Белогорохова, А.Г.Белов, В.М.Лакеенков. Р.А.Смирнова. К вопросу о поглощении инфракрасного излучения свободными носителями заряда в /7- Cdi.xZnxTe. ФТП. 1999. Т. 33. Вып. 5. С. 549-552.

51. M.I.Vasilevskiy, A.I.Belogorokhov, M.J.M. Gomes. The effect of short-range order and natural microinhomogeneities on the FIR optical properties of CdxHgixTe. .(.Electronic Materials. 1999. V. 28. N. 6. P. 654-661.

52. N.Romcevic, M.Romcevic, D.R.Khokhlov, A.I.Belogorokhov, I.I.Ivanchik, W. Konig. Far- infrared study of impurity local modes in gallium-doped PbTe. Infrared Physics & Technology. 1999. V. 40. P. 453-462.

53. A.I.Belogorokhov, L.I.Belogorokhova, S.Gavrilov. Investigation of properties of porous silicon embedded with ZnSe and CdSe. J. Crystal Growth. 1999. V.197. P.702-706.

54. A.I.Belogorokhov, Yu.A.Pusep, L.I.Belogorokhova. FTIR- study of the topology of porous semiconductor structures. Journal of Physics. Condenced Matter. 2000. V. 12. P. 3897-3899.424

55. Т. Matsumoto, A.I. Belogorokhov, L.I. Belogorokhova, Y. Masumoto, E.A. Zhukov. J. Nanotcchnology. 2000. V. 11. N. 4. P. 340-347.

56. А.И.Белогорохов, Л.П.Маслов. Датчик аммиака в воздухе. Положительное решение о выдаче патента от 27.02.2001 (№ 99125733).

57. A.I.Belogorokhov, I.S. Zakharov, A.F. Knjazev, A.V. Kochura. Far-infrared reflectivity of Cd3.xZnxAs2 monocrystals. Applied Physics Letters. 2000. V. 77. N. 14. P. 2121-2123.

58. А.И.Белогорохов, И.С.Захаров, А.Ф.Князев, А.В.Кочура. Фотоэлектрические явления в кристаллах Cdi.23Zni.77As2, легированных селеном. Известия РАН. Неорганические материалы. 2000. Т. 36. В. 7. С. 1-4.

59. А.И. Белогорохов, Б.А. Волков, И.И. Иванчик, Д.Р. Хохлов. Модель DX-подобных примесных центров в PbTe(Ga). Письма в ЖЭТФ. 2000. Т.72. В.З. С. 178182.