Оптические свойства анизотропных кремниевых структур, страница 2

Роль диссертанта в экспериментальных исследованиях итеоретическом анализе оптических свойств мезо-ПК и ЩКС являетсяопределяющей.Апробация результатов работы.Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 18 работах, изкоторых 6 статей и 11 тезисов в сборниках докладов и трудов конференций (см.список публикаций). Апробация проходила на следующих конференциях:Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых пофундаментальным наукам, секция Физика (Ломоносов-2003), Москва, Россия2003; IV Национальная конференция по применению Рентгеновского,Синхротронного излучений, Нейтронов и Электронов для исследованияматериалов (РСНЭ-2003), ИК РАН, Москва, Россия 2003; Х Международнаяконференция “Физика диэлектриков” (“Диэлектрики-2004”), Санкт-Петербург,Россия, 2004; 10th International Conference on Nonlinear Optics of Liquid andPhotorefractive Crystals, Alushta, Crimea, Ukraine 2004; 10th InternationalConference on Extended Defects in Semiconductors (EDS-2004), Chernogolovka,Russia 2004; 2nd International Conference on Materials Science and CondensedMatter Physics (MSCMP 2004), Chisinau, Moldova 2004; 10th Conference onComplex Media and Materials (Bianisotropics 2004), Ghent, Belgium 2004; VIВсероссийская молодежная конференция по физике полупроводников иполупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, Россия, 2004;Ломоносовские Чтения–2006, секция Физика, Москва, Россия 2006; 3d8International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics(MSCMP 2006), Chisinau, Moldova 2006; VIII Всероссийская МолодежнаяКонференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- инаноэлектронике, Санкт-Петербург, Россия 2006.Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пятиглав, заключения и основных выводов, и списка цитируемой литературы из 81наименования. Общий объем работы составляет 106 страниц машинописноготекста, включая 75 рисунков и 7 таблиц.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации,поставлены задачи исследований, дан анализ научной новизны полученныхрезультатов и их практической ценности, приведены положения, выносимые назащиту, а также представлен перечень конференций, в рамках которыхпроисходила апробация работы, и список публикаций.Первая глава является обзором литературы и посвящена изложениюосновных подходов к описанию оптических свойств гетерогенных систем, атакже имеющихся в научной литературе сведений по анизотропии оптическихсвойств ПК и ЩКС.

В разделе 1.1 обсуждаются основные модели эффективнойсреды, и рассматривается явление двулучепреломление формы. В разделе 1.2содержится информация об оптических свойствах слоев ПК, связанных санизотропией формы составляющих его структурных элементов. Делаетсявывод о том, что слои мезо-ПК, сформированные на сильнолегированныхпластинах монокристаллического кремния р++-Si:B с ориентацией поверхности(110), обладают сильным двулучепреломлением формы.

Также обсуждаетсяанизотропия фотолюминесценции и КРС в ПК. Раздел 1.3 посвящен описаниюоптических свойств ЩКС. Показано, что данные структуры могут обладатьзначительной величиной двулучепреломления в дальнем ИК диапазоне спектра.В разделе 1.4 рассматривается влияние свободных носителей заряда надиэлектрическую функцию кремниевых нано- и микроструктур, что приводит кизменению их оптических свойств. В разделе 1.5 изложены основные9особенности явления КРС в кремниевых структурах, а также рассмотреновлияние свободных носителей заряда на спектры КРС – так называемый эффектФано [9]. В конце главы в разделе 1.6 сформулированы выводы из обзоралитературы и поставлены задачи исследования.Вовторойглавепредставлентеоретическийанализлинейныхоптических свойств анизотропных кремниевых структур в рамках моделиэффективной среды Бруггемана и модели проводимости Друде. В разделе 2.1сформулированы основные подходы для расчета оптических характеристиканизотропных слоев мезо-ПК и ЩКС и дано обоснование использованиямоделей эффективной среды Бруггемана и модели проводимости Друде.

Вразделе 2.2 представлены результаты расчета эффективных показателейпреломления и коэффициентов поглощения ЩКС в дальнем ИК диапазоне сучетов влияния свободных носителей заряда. Также рассмотрено изменениевеличины двулучепреломления ЩКС с изменением пористости структуры идиэлектрической проницаемости среды, заполняющей щели. Были найденыоптимальныеструктурныепараметрыЩКС,прикоторыхвеличинадвулучепреломления максимальна. Расчеты свидетельствуют, что для ЩКС вдальнем ИК диапазоне может наблюдаться область аномальной дисперсии,связанная с влиянием свободных носителей заряда, что может привести ксущественному увеличению двулучепреломления. В разделе 2.3 представленрасчет дисперсии эффективных показателей преломления мезо-ПК в видимом иближнемИК диапазонахспектрав предположении, что кремниевыенанокристаллы и поры имеют форму эллипсоидов вращения.

В дальнем ИКдиапазоне было рассмотрено влияние свободных носителей заряда надвулучепреломление и дихроизм в мезо-ПК как с учетом рассеяния носителейзаряда на стенках кремниевых нанокристаллов, так и без него. Показано, что вдальнем ИК диапазоне спектра слои мезо-ПК могут обладать аномальнойдисперсией и величина двулучепреломления многократно возрастает посравнению с ее значением в среднем ИК диапазоне спектра.10Третьяглавапосвященаописаниюиспользуемыхэкспериментальных методов. В разделе 3.1 даннойобразцовиглавы изложена методикаизготовления и основные параметры анизотропных слоев мезо-ПК. Для ихприготовления в работе использовался метод электрохимического травленияпластин сильно легированного бором монокристаллического кремния р++-Si:B сориентацией поверхности (110) в растворе плавиковой кислоты в этиловомспирте.

Преимущественный рост пор в кристаллографических направлениях<100> в процессе электрохимического травления обуславливает вытянутостькремниевыхнанокристалловипорвплоскости слоя в направлении [1 1 0 ] (см.рис.1). В этом случае, как установлено вработах [1,2], оптическая ось системысовпадаетскристаллографическимнаправлением [001] в плоскости слоя.Размер кремниевых нанокристаллов и порсоставляет 10 – 50 нм, что позволяетклассифицировать исследуемые образцыПК как мезопористые [5]. В разделе 3.2приведена методика формирования ЩКСметодомхимическоготравленияврастворе КОН.

В качестве подложек вРис.1. Изображение в просвечивающемэлектронноммикроскопеповерхности типичного образцамезо-ПК,сформированногонаподложке р++-Si:B с ориентациейповерхности (110), (темные области–кремниевыенанокристаллы,светлые – поры) [2].работе использовались низколегированныепластины c-Si с ориентацией поверхности(110).ПолученнаяпоследовательноЩКСсостоитчередующихсяизслоевкремниевых стенок и пустот (щелей) (см.рис.2). В работе исследовались ЩКС спериодами4–7мкмитолщинамикремниевых стенок от 1.4 до 2.3 мкм дляразных образцов. Оптическая ось в ЩКС11Рис. 2. Изображение в сканирующемэлектронном микроскопе поперечного сечения ЩКС (период 8 мкм,глубина щелей 28 мкм) [3].направленаперпендикулярноккремниевымстенкамисовпадаетскристаллографическим направлением [001].

В разделе 3.3 описана методикаизмеренияспектровпропусканияполяризационно-чувствительнойисследуемыхспектроскопииобразцоввметодамивидимом,ИКисубмиллиметровом диапазонах спектра. Расчет коэффициентов преломленияосуществлялся как путем анализа интерференционной картины спектровпропускания с учетом порядка интерференционного максимума по формуле:2d ⋅ n = m ⋅ λ , где m – целое число, d – толщина щелевого слоя, так и путемаппроксимацииэкспериментальныхданныхрасчетнымиспектральнымизависимостями, полученными с использованием формул Френеля. В разделе3.4 показана схема измерения двулучепреломления и дихроизма в слоях мезоПК в видимом диапазоне спектра.

Также изложена методика расчетаконцентрации свободных носителей заряда в мезо-ПК и ЩКС по спектрампропускания в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра и описаны способыувеличения их концентрации путем адсорбции молекул и фотовозбуждения. Вразделе 3.5 приведены условия измерений спектров КРС мезо-ПК и ЩКС привозбуждении их длинами волн 0.514, 0.633 и 1.06 мкм.Вчетвертойглавепредставленыэкспериментальноизмеренныедисперсионные зависимости показателей преломления для обыкновенной инеобыкновенной волны в мезо-ПКв видимом и ИК диапазоне спектра.измеренийанализируются в рамках моделейБруггемана и Друде.

В разделе 4.1приводятсяполученныеn o , neРезультаты[001]2.1двулучепреломлению и дихроизмуНа рис. 3 представлены типичныеne1.91.81.60.5 0.7спектров пропускания данные посреднем ИК диапазонах спектра.a2.01.7изв мезо-ПК в видимом, ближнем ирасчет по моделиno Бруггеманаc1234 5 6 7λ, мкмРис.3.Дисперсионныезависимостипоказателей преломления обыкновенной no инеобыкновенной ne волн в мезо-ПК спористостью 60%. Линиями показанырассчитанные по формуле (1) спектры.12дисперсионные кривые для обыкновенной no и необыкновенной ne волн.Экспериментальные данные хорошо согласуются с расчетами, выполненными вработе в рамках электростатического приближения модели эффективной среды,когдаформа нанокристаллов и пор аппроксимировалась эллипсоидамивращения.

Использовалась обобщенная формула Бруггемана [10] :f1 ⋅гдеε1 − ε ||,⊥()ε ||,⊥ + ε1 − ε ||,⊥ L ||,⊥+ f2 ⋅ε 2 − ε ||,⊥ε ||,⊥ + (ε 2 − ε||,⊥ )L ||,⊥= 0,(1)ε ||,⊥ – компоненты тензора эффективной диэлектрической проницаемостимезо-ПК, соответствующие направлению электрического поля вдоль (||) иперпендикулярно (⊥) к оптической оси;ε1 и ε 2 – диэлектрическиепроницаемости кремниевых нанокристаллов и пор; f1 =1 – p и f2 = p – факторызаполнения для кремниевых нанокристаллов и пор (p – пористость); L||,⊥ –факторы деполяризации для направлений вдоль и перпендикулярно коптической оси, которые связаны друг с другом соотношением 2 L⊥ + L|| = 1 изависят от формы нанокристаллов и пор согласно соотношению [11]:[]x 2 ⎡ arcsin x −1 x 2 − 1 ⎤L|| = 2⎢1 −⎥,x − 1 ⎣⎢x2 −1⎦⎥(2)где x = a / c – отношение длинn o , ne2.0аno1.6ne1.2∆n0.15a/c0.201.81.61.41.21.0б0.10полуосейхарактеризующеестепеньанизотропииформы.6065707580преломленияивдвулучепреломпления85уменьшении длины волны с 6p, %Рис.4.