Автореферат (1149965), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Оптимальными условиями для формированиякристаллических пленок ZnO методом магнетронного распыления являются:температура подложки – 450оС, мощность магнетрона – 150 Ватт, давление газа вростовой камере – 0,25 Па, парциальное давление кислорода – 30%. Оптимальнымиусловиями для формирования кристаллических пленок Cu2O методом магнетронногораспыления являются: температура подложки – 450оС, мощность магнетрона – 300Ватт, давление газа в ростовой камере – 0,14 Па, парциальное давление кислорода –40%.Апробация работы:Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научныхконференциях:- XI Российская конференция по физике полупроводников (Санкт-Петербург, 2013 г.),6- II Всероссийский конгресс молодых учёных (Санкт-Петербург, 2013 г.), ICONO/LAT(Москва, 2013 г.),- International Conference Science & Progress (Санкт-Петербург, 2013 г.),- I междисциплинарная конференция «Современные решения для исследованияприродных, синтетических и биологических материалов» (Санкт-Петербург, 2014 г.).Публикации и личный вклад автора:По теме диссертации опубликованы 3 статьи в журналах ВАК и 5 тезисовдокладов.
Личный вклад автора заключается в том, что диссертант принималнепосредственное участие в постановке и решении задач, проведенииэкспериментальных исследований, обработке и обсуждении полученных результатов,в подготовке материалов для публикации в журналах и на конференциях.
Большинствопредставленных в диссертации экспериментальных результатов и расчетов полученыи выполнены автором лично.Объем и структура работы:Диссертация состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводови списка литературы из 74 наименований.
Общий объем диссертации 118 страницмашинописного текста, включая 59 рисунков и 13 таблиц.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,сформулированы ее цели и задачи, показана научная новизна и практическая ценностьполученных результатов, приводятся положения, выносимые на защиту.В первой главе диссертации приведены сведения о комбинационном рассеяниисвета в кристаллах со структурой вюрцита, к которым относится нитрид галлия. Даноописание плазменных колебаний в кристалле и проявления плазмон-фононноговзаимодействия в спектрах полупроводников.Вторая глава посвящена описанию экспериментальной техники и технологийроста эпитаксиальных слоёв нитрида галлия, легированных кремнием, и объёмногокристалла GaN.Исследуемые слои GaN, легированные кремнием, были выращены методомгазофазной эпитаксии сотрудниками ростовой группы университета Аалто вФинляндии.
Образец объёмного GaN был выращен методом газофазной эпитаксиинаучной группой под руководством Ю.Г. Шретера в Физико-Техническом Институтеим. А. Ф. Иоффе РАН. Тонкие слои ZnO и Cu2O были выращены методоммагнетронного распыления в Академическом университете РАН.Спектры люминесценции и отражения исследуемых образцов регистрировалисьна двойном спектрометре МДР-204-2 фирмы ЛОМО-Фотоника.
Для широкозонныхкристаллов GaN и ZnO в качестве источника возбуждения люминесценциииспользовался непрерывный гелий-кадмиевый лазер с длиной волны 325 нм. Для7проведения низкотемпературных исследований использовалась оптическаякриокювета. Эти исследования проводились на оборудовании кафедры физикитвёрдого тела СПбГУ.Исследования комбинационного рассеяния света проводились на спектрометреSENTERRA фирмы Bruker и тройном спектрометре T64000 фирмы Horiba Scientific вНаучном парке СПбГУ (Ресурсный центр «Оптические и лазерные методыисследования вещества».В третьей главе представлены результаты экспериментального исследованиясвойств легированных слоёв GaN оптическими методами.Оптические свойства кристаллов GaN со структурой вюрцита определяютсяпереходами между тремя валентными подзонами Γ9, Γ7 и Γ7 и зоной проводимости Γ6,которым соответствуют экситонные резонансы с большими силами осциллятора(экситоны А, В и С соответственно) [1, 2].
Повышение уровня легирования нитридагаллия кремнием в интервале концентраций кремния n0 от 1017 до 1018 см-3 приводит куширению структуры экситонного излучения и смещению максимума спектралюминесценции в сторону низких энергий (Рис. 1).Рисунок 1 - Спектры фотолюминесценции эпитаксиальных слоев GaN сразличными концентрациями кремния (образцы ##1–5) в полулогарифмическоммасштабе, нормированные на максимум интенсивности. An=1, An=2, Bn=1 –люминесценция свободных экситонов; A0x, D0x – люминесценция экситонов, связанныхна нейтральных акцепторах и донорах; (An=1 – 1LO), (An=1 – 2LO), (D0x – 1LO), (D0x –2LO) – фононные повторения экситонов с испусканием одного или двух продольныхоптических фононов, T=5K.
Концентрации электронов при комнатной температуре:#1 – 4,1∙1016 см-3, #2 – 3,1∙1017 см-3, #3 – 1,4∙1018 см-3, #4 – 3,4∙1018 см-3, #5 – 4,8∙1019 см-3При дальнейшем увеличении n0 направление сдвига спектра изменяется,происходит подавление экситонного механизма излучения, появляется полосаизлучения в области выше энергии ширины запрещенной зоны GaN.
Вид спектра8излучения сильно легированного кристалла согласуется с теоретическими расчетами[3].Трансформацию спектра излучения с ростом n0 можно объяснить на основеобразования донорной зоны и ее слияния с зоной проводимости. Концентрационныезависимости вольт-амперных характеристик наших образцов полностьюсоответствуют этим представлениям.Рассмотрим более подробно спектр люминесценции слабо легированногоэпитаксиального слоя GaN:Si (образец #2). Измерение температурной зависимостиотношения интенсивностей первой и второй фононных реплик экситона А I(An=1–1LO)и I(An=1–2LO) показало, что оно линейно растет вплоть до 60 К (см. вставку на рис.
2).Рисунок 2 – Спектры фотолюминесценции эпитаксиального слоя GaN: Si сконцентрацией кремния 3.1∙1017 см−3 (образец № 2). An=1, An=2 и Bn=1 — свободныеэкситоны, D0x и A0x — экситоны, связанные на нейтральных доноре и акцепторе.Полосы (An=1 − 1LO) и (An=1 − 2LO), (D0x − 1LO) и (D0x − 2LO) — фононные репликисвободных и связанных экситонов с рождением одного и двух LO-фононов. СтрелкойEg показана ширина запрещенной зоны для образца № 2 при T = 5K. На вставкеприведена температурная зависимость отношения интегральных интенсивностейфононных реплик I(An=1 − 1LO) и I(An=1 − 2LO) для образца № 2Известно, что величины электрон-фононного и экситон-фононноговзаимодействий пропорциональны квадрату волнового вектора фонона [4, 5].
Принизких температурах экситоны имеют малые волновые векторы, соответственно,фононы, участвующие в формировании первой фононной реплики экситонногоизлучения, также имеют малые волновые векторы, и таким образом, первая фононнаяреплика при низкой температуре запрещена (имеет малую интенсивность), причемэтот запрет выполняется тем лучше, чем совершеннее кристаллическая решетка, Для9экситонной излучательной аннигиляции с участием двух и более фононов такогоограничения нет, поскольку требуется лишь малая величина суммарного волновоговектора фононов, участвующих в процессе.С ростом температуры средний импульс экситонов и, соответственно, фононов,участвующих в формировании первой фононной реплики экситонного излучения,растет пропорционально температуре [6], то есть должно выполняться соотношениеI(An=1–1LO)/I(An=1–2LO) = CT.
В работах [4, 7] было показано, что вследствие усилениярассеяния экситонов на дефектах при нагревании кристалла коэффициент С имеетбольшую величину в кристаллах более низкого качества. Для образца # 2, спектрылюминесценции которого показаны на рис.
2 , C 0.13 K–1, и это свидетельствует овысоком качестве слабо легированного кремнием слоя GaN, выращенного из газовойфазы с использованием аммиака, триметила галлия и силана. Значение С длякристаллического слоя GaN, выращенного методом молекулярно-пучковой эпитаксии,значительно выше [8].
Отметим, что сравнение спектровлюминесценцииисследованных нами эпитаксиальных слоев нитрида галлия, и слоев выращенныхметодом хлор-гидридной газофазной эпитаксии [8] свидетельствует о более высокомкачестве наших образцов.В спектрах КРС образцов GaN со средним и высоким уровнями легированиянаблюдаются особенности (широкие полосы), которые следует отнести к проявлениюплазмон-фононного взаимодействия L– и L+ (рис. 3).Рисунок 3 – Спектры комбинационного рассеяния света слоями GaN.Концентрация кремния в образцах: #1 – 4,1∙1016 см-3, #2 – 3,1∙1017 см-3, #3 – 1,4∙1018 см3, #4 – 3,4∙1018 см-3, #5 – 4,8∙1019 см-3. Т=300 К [16]Наряду с полосами плазмон-фононного взаимодействия L– и L+ наблюдаютсятипичные узкие пики КРС GaN, которые относятся к нелегированному слою GaN, накотором формировались слои легированные кремнием.10Зависимости энергии нижней и верхней ветвей плазмон-фононных мод отконцентрации свободных носителей, дают возможность по известным значениямчастот + и − , соответствующих максимумам полос L+ и L–, определитьконцентрацию свободных носителей (в нашем случае электронов).
Мы провеликомпьютерное моделирование в программе Mathcad, для вычисления частот плазмонфононного взаимодействия использовалась формула2±=1 21( + 2 ± [(2 + 2 )2 − 42 2 ] ⁄2 )2с известными значениями частот поперечных и продольных оптических колебанийGaN и ( – плазменная частота).Мы установили, что при охлаждении кристалла изменятся амплитуда плазмонфононной моды, однако ее энергетическое положение от температуры зависит слабо.Это является подтверждением слияния донорной зоны с зоной проводимости – в этомслучае концентрация электронов, участвующих в плазменных колебаниях не должнасущественно зависеть от температуры.Для образцов #1 и #2 экспериментальное определение частот нижней и верхнейветвей фонон-плазмонного взаимодействия не представляется возможным, посколькучастота − для образца #1 лежит вне области чувствительности детектора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
