Диссертация (1149967), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Целью диссертационной работы являетсяисследование оптических свойств и характеризация оптическими методамикачества следующих полупроводниковых материалов:- эпитаксиальных слоев нитрида галлия микронной толщины,выращенных методом хлоргидридной или газофазной эпитаксии, нелегированных преднамеренно и легированных кремнием;-объемныхкристалловнитридагаллия,нелегированныхпреднамеренно, выращенные методом газофазной эпитаксии;- пленок закиси меди нанометровой толщины, выращенных методоммагнетронного распыления;- пленок оксида цинка нанометровой толщины, выращенных методоммагнетронного распыления.Научная новизна. На серии образцов эпитаксиальных слоев нитридагаллия с широким диапазоном концентрации кремния впервые изученатрансформация спектров фотолюминесценции GaN при увеличении уровнялегирования донорной примесью от 1016 до 5.1019 см–3 и результатысопоставлены с данными электрофизических измерений.Впервые проведена характеризация оптическими методами различныхобластей объемного кристалла нитрида галлия, выращенного из газовойфазы.По спектрам комбинационного рассеяния света в кристаллах нитридагаллиясразличнымиконцентрацииуровнямисвободныхлегированияносителей,кремниемисследованаопределенытемпературнаязависимость этой концентрации, проведено сопоставление результатов сданными, полученными электрофизическими методами и из спектроврешеточного отражения.8На основе исследования оптических спектров пленок оксидов цинка имеди,полученныхметодоммагнетронногораспыления,определеныоптимальных условия для получения кристаллических слоев высокогокачества.Научная и практическая ценность.
Полученные в диссертацииданные об оптических свойствах нитрида галлия в зависимости от уровня еголегирования донорами могут быть распространены на другие практическиважные полупроводниковые кристаллы. На основе данных о структуреспектра люминесценции слабо легированных эпитаксиальных слоев нитридагаллия, выращенных из газовой фазы, и ее температурной зависимостиустановленовысокоекачествоэтихслоев,превосходящеекачествокристаллов GaN, полученных другими методами.Показано, что определение концентраций свободных носителей всильнолегированныхкристаллахнитридагаллияпоспектрамкомбинационного рассеяния света, по спектрам решеточного отражения и повольт-амперным характеристикам находятся в хорошем согласии друг сдругом.Оптическая характеризация кристаллических пленок оксидов цинка имеди,полученныхустановитьметодомтехнологическиемагнетронногоусловия,распыления,способствующиепозволилополучениюкристаллических слоев высокого качества, пригодных для практическогоприменения в преобразователях солнечной энергии.Методология и методы исследования.
Основные методы, которыебыли использованы в этой работе для изучения полупроводниковыхматериалов – спектроскопия комбинационного рассеяния света (КРСспектроскопия) и люминесцентная спектроскопия.КРС-спектроскопия–этоэффективныйметодисследованияколебательных свойств веществ. С помощью этого метода можно определитьструктуру кристаллов, провести оценку их качества, а также определитьконцентрацию свободных носителей и типы примесей. Более того, в КРС9могут проявляться более сложные эффекты, к примеру, взаимодействиепродольныхоптическихфононовсплазменнымиколебаниями.Достоинством метода КРС является то, что он бесконтактен, не разрушаетобразец и не требует особой подготовки образцов.Люминесцентная спектроскопия (а также спектроскопия отражения) –очень чувствительный метод для изучения электронных свойств кристаллов.Спектры излучения могут дать информацию о типах примесей в материале.По этим данным можно провести оценку качества выращенных кристаллов.В диссертации содержатся сведения о структуре исследованныхобразцов,полученныеметодамирентгеновскойдифракцииипросвечивающей электронной микроскопии (TEM).Научные положения, выносимые на защиту.1) Трансформация оптических спектров эпитаксиальных слоев нитридагаллия, легированного кремнием в широком диапазоне концентрации от4.10 16 до 5.1019 см –3 отражает подавление экситонных эффектов, образованиедонорной зоны и ее слияние с зоной проводимости при увеличенииконцентрации примеси.
Результаты оптических исследований хорошосогласуются с данными, полученными электрофизическими методами.2) Характеризация оптическими методами не легированного специальнообъемного кристалла нитрида галлия, выращенного из газовой фазы,свидетельствует о том, что качество кристаллической решетки сильноразличается в характерных областях объемного кристалла.3) Согласно данным оптических измерений качество кристаллических пленококсидов цинка и меди, выращенных методом магнетронного распылениясравнимо с качеством объемных кристаллов, полученных по традиционнымтехнологиям, при соблюдении оптимальных условий роста.
Оптимальнымиусловиями для формирования кристаллических пленок ZnO методоммагнетронного распыления являются: температура подложки – 450оС,10мощность магнетрона – 150 Ватт, давление газа в ростовой камере – 0,25 Па,парциальное давление кислорода – 30%. Оптимальными условиями дляформирования кристаллических пленок Cu2Oметодом магнетронногораспыления являются: температура подложки – 450оС, мощность магнетрона– 300 Ватт, давление газа в ростовой камере – 0,14 Па, парциальное давлениекислорода – 40%.Апробация результатов работы.
Основные результаты диссертациибылидоложеныиобсуждалисьнаразличныхВсероссийскихимеждународных конференциях: XI Российской конференции по физикеполупроводников (Санкт-Петербург, 2013 г.), II Всероссийском конгрессемолодых учёных (Санкт-Петербург, 2013 г.), ICONO/LAT (Москва, 2013 г.),Science & Progress (Санкт-Петербург, 2013 г.), «Современные решения дляисследования природных, синтетических и биологических материалов»(Санкт-Петербург, 2014 г.).Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 8печатных работах, в том числе в 3 научных статьях, а также 5 материалахконференций.Личный вклад автора.
Личный вклад автора заключается в том, чтодиссертант принимал непостредственное участие в постановке и решениизадач,проведенииэкспериментальныхисследований,обработкеиобсуждении полученных результатов. Спектры отражения и люминесценцииисследованных образцов были получены совместно с сотрудниками кафедрыфизики твёрдого тела СПбГУ. Спектры комбинационного рассеяния светаисследованных образцов были получены диссертантом лично.
Образцылегированных слоёв нитрида галлия были предоставлены сотрудникамиАкадемического Университета; образец объёмного нитрида галлия былпредоставлен сотрудниками Физико-Технического Института РАН им.Иоффе;образцыZnOУниверситета Аалто.иCu2Oбылипредоставленысотрудникам11ГЛАВА 1. Комбинационное рассеяние света и плазмон-фононноевзаимодействие в кристаллах.1.1 Общие сведенияОптические исследования включали в себя получение и анализспектров комбинационного рассеяния света (КРС), люминесценции иотражения.
В первой главе приведены основные сведения о колебанияхрешетки кристаллов со структурой вюрцита, к которым относится нитридгаллия, об эффекте КРС и о проявлении плазмон-фононных мод в спектрахКРС.Комбинационноерассеяниесвета(КРС)—эффективныйэкспериментальный метод исследования фононов: он основан на измеренииразности частот падающего и рассеянного фотонов. КРС — трехступенчатыйпроцесс: падающий фотон с частотой поглощается; образованное такимобразом промежуточное электронное состояние на основе различныхмеханизмов взаимодействует с фононами (или другими элементарнымивозбуждениями энергии), создавая или уничтожая фононы; в итоге,излучается фотон, имеющий частоту , отличающуюся от исходной.Рисунок 1.1 – Диаграмма процесса комбинационного рассеяния света.
Штриховаялиния представляет фонон, волнистые линии – фотоны, а пунктир – электронную систему[1]Энергия и импульс в этом процессе сохраняются, законы сохраненияописываются следующими равенствами [2]:ℏ = ℏ ± ℏΩ, = ± (1.1)12где ℏΩ – энергия фонона, и – импульсы падающего и рассеянногофотонов, – импульс фонона.Поскольку импульсы падающих и рассеянных фотонов малы посравнению с обратным вектором решетки, только возбуждения с ≃ 0участвуют в процессе КРС, что иллюстрирует рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
