Диссертация (1149967), страница 3
Текст из файла (страница 3)
1.2.Рисунок 1.2 - Энергетическая диаграмма неупругого (КРС) и упругого(рэлеевского) рассеяния света [3]В полупроводниках поглощение фотонов приводит к рождениюэлектронно-дырочных пар; следовательно, интенсивность и положениелиний КРС отражают основную электронную структуру материала.Интенсивность комбинационного рассеяния света ( ) дается выражением( )~4 | T |2 ∑, (1 −ℏ )� −ℏ �,(1.2)где и – частоты падающего и рассеянного фотонов соответственно, и – энергии промежуточных состояний, T – тензор комбинационногорассеяния, а и – векторы поляризации падающего и рассеянногоизлучения.
Суммирование проводится по всем возможным промежуточнымсостояниям. В полупроводниках могут существовать следующие реальныепромежуточныесостояния:блоховскиеэлектронныесостояния,соответствующие зоне проводимости и валентной зоне, экситонные13состояния, примесные состояния в запрещенной зоне. В уравнении (1.2)второй множитель определяет правила отбора для КРС, которые вытекают изсимметрии взаимодействий, участвующих в процессе комбинационногорассеяния света. Правила отбора можно определить по виду тензоровкомбинационного рассеяния.Подробное теоретическое описание процессов комбинационногорассеяния света и его особенностей вблизи критических точек зоныБриллюэна полупроводников содержится в многочисленных монографиях иобзорах [4-6].Характеристики КРС зависят от состояния поляризации падающей ирегистрируемой световых волн, от вида симметрии восприимчивости второгопорядка рассматриваемого возбуждения и от пространственной симметриирассеивающейсреды.Методомкомбинационногорассеяниясветапользуются, в частности для идентификации структуры кристаллов, дляоценки их качества, для определения содержания примесей, распределенияупругих деформаций, разупорядоченности поверхности раздела и дляконтроля легирования образцов.
Полупроводниковым кристаллом, которыйбыл в первую очередь всесторонне изучен методом КРС, является арсенидгаллия [7, 8].1.2 Резонансное комбинационное рассеяние светаДля того чтобы увеличить количество получаемой информации,полученнойметодомспектроскопииКРС,используютразличныетехнические приемы, в частности резонансное возбуждение КРС, о которомречь пойдёт ниже.
В последнее время развился метод микро-КРС, егоосновойявляетсясовмещениеКРС-спектрометрасконфокальныммикроскопом, что позволяет получать спектры с пространственнымразрешением. Большинство исследований, приведённых в этой работе,проводились с использованием техники микро-КРС.14Возбуждённые электронные состояния, в общем случае, являютсявиртуальными состояниями, однако возможна ситуация, когда электроны привозбуждении переходят не в виртуальные состояния, а на реальносуществующие уровни энергии. Интенсивность соответствующего сигналаКРС значительно возрастает в том случае, если количество таких реальныхсостояний велико (например, в критических точках зонной структуры).
Еслиэнергия падающего света совпадает с реальным электронным переходом вкристалле, то резонанс называется внешним. Соответственно, внутреннийрезонанс достигается в случае, когда рассеянный свет имеет энергию равнуюэнергии одного из электронных переходов в кристалле.Резонансное КРС обладает несколькими преимуществами, а именно:- с помощью резонансного усиления возможно получать сигнал КРС отповерхностей кристаллов с точностью до одного монослоя- для изучения наноструктур можно совместить метод резонансногоКРС с микро-рамановской спектроскопией, что обеспечивает необходимуючувствительность детектирования и позволяет определять пространственноераспределение элементов в наноразмерных структурах- если структура состоит из большого количества слоёв разного состава(например,сверхрешётки),товыборомподходящейдлиныволнывозбуждения можно получить резонансный сигнал КРС от каждого слоя.Главный недостаток этого метода: в случае, когда длина волныпадающего излучения совпадает с межзонным переходом, в спектренаблюдается люминесценция, и на её фоне сложно детектировать сигналКРС.1.3 Колебания решетки и комбинационное рассеяние света в кристаллахсо структурой вюрцитаКубическую решетку кристаллов со структурой цинковой обманки,можно превратить в гексагональную решетку структуру вюрцита с помощью15простогопространственногопреобразования.Поэтойпричинемырассмотрим вначале колебания решетки и КРС в кубических кристаллах.Кристаллсгранецентрированныерешеткойкубическиецинковой(ГЦК)обманкирешетки,образуютдвесмещенныедруготносительно друга на вектор (а/4, а/4, а/4), где а — размер элементарнойячейки ГЦК-структуры [1].
На рис. 1.3 показана решетка, имеющаяструктуру цинковой обманки.Рисунок 1.3 – Кристалл GaAs c решеткой типа цинковой обманки. Черные кружки– Ga, белые кружки – As [1]Так как нитрид галлия является полярным полупроводником, то ионнаясвязь приводит к переносу заряда от атомов азота, принадлежащих группе V,к атомам галлия, относящихся к группе III [9]. Атомы пятой группы имеютпять электронов на внешней оболочке, а атомы третьей группы — три,поэтому узлы, занятые атомами галлия, приобретают отрицательный заряд, аузлы, занятые атомами азота, — положительный.
В бинарных полярныхполупроводниках два атома, образующие связь, несут противоположные познаку заряды, е* и —е*. В полярных материалах значение заряда е*составляет от долей до одного заряда электрона.16Кристаллическая структура материала с решеткой вюрцита изображенана рис. 1.4. Как и в предыдущем случае, гибридизация связей являетсятетраэдрической [9]. Структура вюрцита может быть получена из структурыцинковой обманки путем поворота смежных тетраэдров вокруг общейсоединительной оси на угол 60° по отношению друг к другу. Как показано нарис. 1.4, кристаллы с решеткой вюрцита имеют в элементарной ячейкечетыре атома.Рисунок 1.4 – Элементарная ячейка кристалла со структурой вюрцита [1]Для элементарной ячейки, содержащей s атомов, общее число нормальныхмод колебаний составляет 3s [2].
В случае кубических кристаллов вдлинноволновом пределе имеется три акустические моды, одна продольная идве поперечные. Таким образом, общее число оптических мод в этом пределесоставляет 3s — 3. Как и для акустических мод, на одну продольнуюоптическуюмодуприходитсядвепоперечные.длинноволновых мод приведено в таблице 1.1.Числоразличных17Таблица 1.1 - Фононные моды в кристалле с элементарной ячейкой, содержащей sатомов [1]Для структуры цинковой обманки s = 2, соответственно, существуют шестьмод: одна продольная акустическая LA, две поперечные акустические ТА,одна продольная оптическая LO и две поперечные оптические ТО.
Дляструктуры вюрцита s = 4 и имеется 12 мод: одна продольная акустическаяLA, две поперечные акустические ТА, три продольные оптические LO ишесть поперечных оптических ТО. В длинноволновом пределе акустическиемоды являются простыми трансляционными модами.Кубическая структура с решеткой цинковой обманки имеет симметриюпространственной группы 2 [10], в такой структуре существует однатрехкратно вырожденная КРС-активная мода вида 2 . Поскольку оптическаямода является полярной, то макроскопическое поле снимает вырождение,выделяя одну продольную моду, которая имеет более высокую частоту, чемдве поперечные моды. Допустимые виды симметрии тензора рассеяния светадля структуры цинковой обманки даются в виде соответствующих матриц впредставлении Т2:0 0�0 00 0 � Мода R(x),00�00000 � Мода R(y),00�00000� Мода R(z)0Частоты LO- и ТО-мод, для некоторых кристаллов c симметрией 2перечислены в таблице 1.2.18Таблица 1.2 - Частоты LO- и ТО-мод для кристаллов с решеткой цинковой обманки [1]На рис.
1.5 в качестве примера приведён спектр комбинационного рассеяниясвета кристалла GaAs. В нём присутствует 2 пика, соответствующиеоптическим колебательным модам. Частота LO-моды составляет 292 см-1,частота двукратно вырожденной TO-моды 269 см-1.Рисунок 1.5 – спектр комбинационного рассеяния света кристалла GaAs [7]Далее мы будем говорить о гексагональном кристалле - нитридегаллия, поэтому перейдем к рассмотрению свойств кристаллов с решеткойвюрцита.Кристаллы с решеткой вюрцита принадлежат к пространственной4группе 6.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
