Спектроскопия второй гармоники в кремнии и кремниевых наночастицах, страница 2

Основное внимание уделено теоретическим аспектам генерации анизотропной ВГ в центросимметричных полупроводниках. Проведен анализ как теоретических, так и экспериментальных литературных данных по исследованию влияния внешних воздействий на генерациюВГ в кремнии. На основе литературных данных сформулированы цели и задачидиссертации.Глава 2. Генерация оптической второй гармоники, индуцированноймеханическими напряжениями в кремнииВо второй главе описывается экспериментальная установка по спектроскопииВГ на основе фемтосекундного титан-сапфирового лазера, представляются результаты экспериментального исследования влияния внешних механических деформаций на генерацию ВГ в кремнии и проводится их анализ с использованиемлитературных данных по строению и свойствам зонной структуры кремния.Излучение титан-сапфирового лазера представляет собой импульсы длительностью порядка 80 фс, следующих с частотой 80 МГц.

Интегральная мощностьизлучения составляет порядка 130 мВт при мощности накачки 3 Вт. Длина волны излучения может перестраиваться в диапазоне 700 - 850 нм, что соответствует диапазону энергий фотона ВГ 2.9 - 3.5 эВ. Выбор титан-сапфирового лазерав качестве основы экспериментальной установки по спектроскопии ВГ обусловлен наличием нескольких важных свойств его излучения. Во-первых, в областьперестройки длины волны излучения титан-сапфирового лазера попадает двухфотонный резонанс прямых переходов в окрестности критических точек E00 и E1комбинированной плотности состояний зонной структуры кремния. Во-вторых,принцип работы лазера в импульсном режиме генерации таков, что его излучение является одномодовым. Это позволяет фокусировать луч в пятно диаметромпорядка 10 мкм, что важно для всего ряда поставленных в диссертации задач.Экспериментальная установка собрана для проведения спектроскопии ВГ наотражение и состоит из двух частей, именуемых сигнальным каналом и каналом сравнения.

Сигнальный канал содержит следующие основные оптическиеэлементы: двойной ромб Френеля и призму Глана, при помощи которых устанавливается любая линейная поляризация излучения накачки; линзу, фокуси-6рующую излучение на образец; фильтры BG39, которые выделяют излучениеВГ; призму Глана, играющую роль анализатора. Излучение ВГ регистрируетсяфотоэлектронным умножителем (ФЭУ), работающем в режиме счета фотонов.Канал сравнения отслеживает флуктуации мощности излучения и длительностиимпульса. В качестве источника генерации ВГ в канале сравнения используетсяпластина кристаллического Z-кварца, квадратичная восприимчивость которогоне имеет спектральных особенностей в области перестройки титан-сапфировоголазера.

Система выделения и регистрации излучения ВГ в канале сравнения такая же, как и в сигнальном канале. Прежде чем приступать к измерениям былипроведены калибровки ФЭУ в обоих каналах. Спектральная аппаратная функция всех оптических элементов была учтена путем измерения нормировочнойкривой.Целью данной главы является экспериментальное исследование генерацииВГ в кремнии под воздействием внешних механических напряжений различныхгеометрий.

В силу высокой чувствительности генерации ВГ к симметрии кристалла, плотности зарядовых ловушек и дефектов можно ожидать существенные изменения сигнала ВГ под действием внешних механических напряжений.Первые экспериментальные и теоретические исследования влияния поверхностных механических напряжений на генерацию оптических гармоник были проведены в работе [1], где наблюдалось значительное увеличение интенсивности генерации гармоник при увеличении легирования приповерхностного слоя ионамибора, фосфора или мышьяка, приводящего к возникновению дополнительныхмеханических напряжений.

Такой подход, однако, не позволяет сделать однозначный вывод о причинах эффекта, давая косвенные сведения, так как введение заряженных частиц в решетку также существенно увеличивает электроиндуцированную составляющую. Экспериментальные результаты, полученныев настоящей главе призваны решить эту проблему с помощью принципиальноновых подходов.Механические напряжения создаются путем деформации изгиба тонких пластин монокристаллического кремния [2] вдоль его различных кристаллографических осей. Исследуется ВГ, отраженная от выпуклой стороны пластины кремния, поэтому в области генерации ВГ кремний растянут, т.е. прикладываемоемеханическое напряжение является растяжением. В главе исследуются две геометрии прикладываемого механического напряжения: двуосное растяжение - когда кремний растягивается одновременно вдоль двух осей, а деформирующимэлементом является сфера; одноосное растяжение - когда кремний растягивается вдоль какой-нибудь из кристаллографических осей, а деформирующим элементом является цилиндр.7Для создания механических деформаций было разработано специальноеустройство, представленное на рис.

1. Устройство состоит из основания, жестко закрепленного на оптическом столе, и рамы, которая посредством микрометрического винта может двигаться относительно основания. Пластинакремния крепится к передней части рамы при помощи прижимных лапок.В середину закрепленной по краям пластины с микрометрической точностью вжимается шарик или цилиндр, создавая на противоположной сторонепластины двуосное или одноосное механическое растяжение соответственно.Благодаря тому, что основание остается неподвижным, исследуемая область кремния, котораярасположена напротив деформирующего элемента, не двигается относительно излучения накачкипри деформации пластины.

В качестве исследуемых образцов использовались пластины монокристаллического кремния (001) n-типа с удельнымсопротивлением 4.5 Ом·см и толщиной 380 мкм.На рис. 2а представлены спектральные зависимости интенсивности ВГ, измеренные для сво- Рис. 1: Устройство для сободной и напряженной пластин кремния в pp- здания механической дефоркомбинации поляризаций излучений накачки и мации.ВГ. Величина напряжения составляла 300 МПа. В обоих спектрах наблюдаетсярезонансный пик в районе 3.34 эВ энергии фотона ВГ, которая соответствует0энергии прямых переходов в окрестности точек E0 и E1 зонной структуры кремния. Видно, что под действием механических напряжений изменяется формаспектральной линии и интенсивность ВГ.

На рис. 2б изображен ряд зависимостей интенсивности ВГ от величины прикладываемого напряжения, измеренныхдля различных энергий фотона ВГ. Зависимости не нормированы, а отсортированы по углу наклона для лучшей визуализации эффекта. Максимальная величина напряжения, при которой еще не возникало разрушение пластины кремния, составляла 580 МПа. Как видно, зависимости имеют по большей частилинейный характер. При этом наблюдается сильная, вплоть до смены знака, зависимость угла наклона этих линий от энергии фотона ВГ.

Для энергии фотонаВГ 3.34 эВ, которая соответствует максимуму наблюдаемого резонанса в спектре интенсивности ВГ, сигнал ВГ не зависит от прилагаемого механическогонапряжения.Наблюдаемые эффекты могут быть связаны не только с воздействием механических напряжений на зонную структуру кремния и в частности на энер0гию переходов в критических точках E0 и E1 , но и с изменением электроинду-8Рис. 2: а) Спектр интенсивности второй гармоники пластины кремния (001) при отсутствии механических деформаций (темные точки) и в присутствии двуосной деформации растяжения (светлые точки). На вставке изображена схема приложения двуосногомеханического напряжения.

б) Зависимости интенсивности ВГ от величины прикладываемого напряжения, измеренные для различных длин волн накачкицированной ВГ, индуцируемой в приповерхностной области электрическим полем. Последнее может изменяться вследствие перераспределения и измененияконцентрации зарядов в кремнии и зарядовых ловушек в оксиде кремния поддействием внешних механических напряжений. Для того, чтобы лучше понятьприроду наблюдаемого эффекта геометрия прикладываемого напряжения былаупрощена до одноосной.Экспериментальные измерения показали, что изменение интенсивности ВГ вслучае одноосной деформации в несколько раз меньше, чем в случае двуосной.Поэтому измерения проводились по модуляционной методике.

На рис. 3 представлены зависимости интенсивности ВГ от времени. Зависимости представляют собой значения интенсивности ВГ, измеренной поочередно для механическинапряженной (светлые точки) и свободной (темные точки) пластины кремния.Величина напряжения составляла 130 МПа, а длина волны излучения накачки- 734 нм, что соответствует энергии фотона ВГ 3.37 эВ. Измерения были проведены в pp и sp-комбинациях поляризаций для двух ориентаций оси прикладываемого механического напряжения относительно плоскости падения излучениянакачки.

Как видно из экспериментальных картинок, в зависимости от взаимнойориентации оси деформации и вектора поляризации излучения накачки одноосное растяжение может как увеличивать, так и уменьшать интенсивность ВГ.Величина изменения также является разной. Таким образом, можно говорить о9Рис. 3: Интенсивность ВГ как функция времени при модуляционной методике приложения одноосного напряжения. Темные точки - интенсивность ВГ в свободнойпластине кремния, светлые точки - в механически напряженной.

(а) sp-комбинацияполяризаций, x-растяжение, (б) sp-комбинация поляризаций, y-растяжение, (в)pp-комбинация поляризаций, x-растяжение, (г) pp-комбинация поляризаций, yрастяжение. Все измерения проводились при длине волны накачки 734 нм (3.37 эВ- соответствующая энергия фотона ВГ).генерации анизотропной ВГ в присутствии внешнего одноосного механическогонапряжения.Существует два возможных механизма влияния механических напряженийна генерацию ВГ в кремнии. Первый, “прямой” механизм связан с модификацией объемной квадрупольной нелинейной восприимчивости χ̂(2)Q и поверхностнойдипольной нелинейной восприимчивости χ̂(2)s под действием деформаций в силу модификации кристаллографического потенциала и изменения величин матричных элементов дипольных моментов, определяющих нелинейно-оптическиевосприимчивости.