Диссертация (Оптические свойства тонких пленок Ge2Sb2Te5 и влияние на них легирующих примесей), страница 9

Спектроскопия комбинационного рассеяния света2.3.1.1. Комбинационное рассеяние светаРэлеевскоерассеяниеСтоксовоерассеяниеАнтистоксовоерассеяниеРисунок 2.11. Энергетическая диаграмма уровней, формирующихспектр КРС [98].На рис. 2.11. показана энергетическая диаграмма возбуждения ирелаксации частиц методом КРС. В невозбужденном состоянии молекула56находится на основном нижнем уровне (основное колебательное иэлектронное состояние). Электрическое поле лазера повышает энергиюсистемы до нестабильного состояния, индуцируя поляризацию химическихгрупп.

Поляризованное состояние не является истинным энергетическимсостоянием и называется «виртуальным состоянием». Релаксация извиртуального состояния происходит почти немедленно и происходитвозвращение в основное состояние. Этот процесс и является рэлеевскимрассеянием. Релаксация на первый колебательный уровень возбужденияназывается стоксовым рассеянием. Стоксово рассеяние имеет более низкуюэнергию (более высокую длину волны), чем излучение лазера. Большинствосистем имеют часть единиц (молекул), изначально находящихся ввозбужденном колебательном состоянии. При КРС такие молекулыпереходятизвозбужденногоколебательногоуровнянаосновнойэнергетический уровень, и в результате появляется излучение более высокойэнергии (более короткой длины волны), чем излучение лазера. Такой типрассеяния называется антистоксовым рассеянием.Таким образом, с помощью спектров КРС можно измерять частотысобственных колебаний молекул и кристаллов.

В результате анализа можноидентифицироватьхимическиекомпонентыилиизучитьвнутримолекулярные взаимодействия, наблюдая положение и интенсивностьполос в КРС спектре.2.3.1.2. Метод спектроскопии комбинационного рассеяния светаИзмерения проводились на комбинационном спектрометре Renishaw1000 с разрешением 1 см-1. Диодный лазер (785 нм) служил источникомвозбуждения. Диаметр пятна лазерного пучка составлялся 1 мкм. СхемаустановкиспектрометрRenishaw1000представленанарис.2.12.Спектрометр используется в области ближнего ИК, видимой части спектра иИзмерения проводились в Институте физики твердого тела и оптики ВАН (Будапешт,Венгрия).57области ближнего УФ (с 50см-1 по 9000 см-1).

Максимальное спектральноеразрешение спектрометре составляет 0,5 см-1 по полуширине полосы КРС.Режекторный фильтрЩельМотор решеткиМикроскопДетекторОбразецЛазерФильтр изображенияРисунок 2.12. Схема комбинационный спектрометр Renishaw 1000.Были получены спектры в диапазоне 30-450 см-1 для тонких пленокGST225 и GST225, легированных Bi, In и Sn с различными массовымидолями легирующей примеси (0,5%, 1% и 3%).Чтобы сравнить интенсивности и положения полученных пиков КРС,проводилась нормировка всех спектров относительно пика 63 см-1,положение и интенсивность которого не менялись во всех спектрах.Предполагалось, что этот пик не относится к оптическим модам исследуемыхвеществ, а является суперпозицией характеристик используемого фильтра,который отсекает в спектре лини возбуждения лазера, и пика с максимумомменее 50 см-1, например, бозоновского. Полученные КРС спектрыаппроксимировались распределением Гаусса при критерии согласия не хуже,чем R2=0.996.2.3.2.

Оптическое пропускание тонких пленок2.3.2.1. Методика проведения измеренияОптическиеспектрыпропусканияизмерялисьприкомнатнойтемпературе на спектрофотометре «Cary 5000» в диапазоне 400 – 2500 нм, с58разрешением 0.05 нм. Для измерения оптического пропускания былииспользованы пленки, осажденные на прозрачные подложки из стекла маркиК8. Измерения проводились при режиме двухлучевого сравнения: один лучпроходит через исследуемые образцы, а второй луч сравнения через воздух.В качестве базовой линии служил спектр пропускания, проходящий черезчистую подложку К8.Рисунок 2.13.

Схема установка спектрофотометра «Cary 5000». 1источник света; 2 – фотоумножитель; 3 – монохроматор; 4,6 - двухлучеваяоптическая схема; 5 – детектор.На рис. 2.13 показана установка спектрофотометра «Cary 5000».Спектрофотометр предназначен для регистрации зависимости доли света,прошедшего через объект, отраженного или рассеянного им, от длины волны.59Cary 5000 используется в области ближнего ИК, видимой части спектра иобласти ближнего УФ. Он снабжен двухлучевой оптической схемой, вкоторую входят два наклонных монохроматора Литтроу 2 х 40 см, дведвухсторонние дифракционные решетки с фокусным расстоянием 400 мм,оптическая изолирующая система, устраняющая шум и паразитный свет.Cary 5000 в своем составе имеет высокоточный фотоумножитель R928 иохлаждаемый детекторближнегоИК на основеPbS, дейтериевый(175-350 нм) и галогенный (вольфрамовый) источники света (350-3300 нм),дополнительную ртутную лампу для калибровки.Спектрофотометрыуправляютсяпростымвиспользованиипрограммным обеспечением Cary WinUV фирмы (Agilent) (рис.

2.14).Рисунок 2.14. Изображение экрана приложения Сканирование.2.3.2.2. Методика расчетов коэффициента поглощения из спектрапропусканияРасчет коэффициента поглощения α и толщины пленки d поизмеренной спектральной зависимости пропускания T(λ) проводился сиспользованием программного обеспечения PUMA [99]. Дисперсия для T(λ)60аппроксимировалась в соответствии с формулой [100]:A1e d4 kT ( ) ; d2 dB1  C1e  D1e(2.1)где A1, B1, C1, D1 – параметры аппроксимации; k – коэффициент экстинкции;α - коэффициента поглощения и d - толщины пленки.Расчет по программному обеспечению PUMA происходит следующимобразом: Для расчета достаточно осуществить 3 цикла.

К примеру, нижеописан расчет для GST225.1. В первом цикле расчета, нужно выбрать интервал толщины пленкиоколо некоторого значения. Установить шаг для толщины. Выбрать интервалспектра. Создать файл с такими параметрами (описание см. приложение 1):puma GST225 4 2 30 T 100 0400 2500 3000 1e+100 0 0010 0800 10 04002500 100 2 9 1 2 9 1 0.10 0.10 0.05Рисунок 2.15. Окно при первом расчете.Призаданныхпараметрах,программабудетрассчитыватькоэффициент экстинкции и пропускания, начиная с длины волны 400 нм сшагом 100 нм. Для каждой длины волны, начиная с толщины 10 нм с шагом10 нм, программа будет аппроксимироваться искомые параметры и выдаватьзначения σ2.

Расчет переходит в следующую длину волны, когда достигнута61толщина 800 нм. Число итераций – 3000. Процесс длится 45 минут. Послезапуска программы появляется окно как на рис. 2.15.2. Во втором цикле расчета, следует уменьшать шаг при заданиитолщиныиувеличиватьмаксимальноечислоитераций.Параметрыустанавливаются следующим образом:puma GST225 4 2 30 T 100 0400 2500 5000 8.265417e-002 9 0010 0800 10400 2500 100Используется σ2=8.265417.10-2 из предыдущего расчета, увеличиваетсячисло итераций 5000 и уменьшается шаг для толщины пленки до значения1 нм.

Для повышенной точности результатов интервал остается 10-800 нм.Процесс длится 5 часов.3. В третьем цикле расчета, как и в предыдущем случае, еще разувеличивается максимальное число итераций. Параметры устанавливаютсяследующим образом:puma GST225 4 2 30 T 100 0400 2500 50000 1.265417e-003 9 0010 08001 0400 2500 100Использовали σ2=1.265417.10-3 из предыдущего расчета, увеличиваетсячисло интеграций 50000, оставляя интервал 10-800 нм для более точныхрезультатов. Процесс длится сутки.Полученные результаты аппроксимации содержатся в файле GST225inf.txt,вкоторомимеютсязначениякоэффициентаэкстинкцииикоэффициента пропускания, а также σ2.

Результат расчета считаетсяудовлетворительным, если σ2 имеет значение порядка 10-3 или меньше.Коэффициент поглощения рассчитывается по формуле:  4 k, где k -коэффициент экстинкции; α - коэффициента поглощения и d - толщина62пленки. В соответствии с полученными данными могут быть построеназависимость коэффициента поглощения от энергии (ħω).2.3.2.3.Расчетоптическойширинызапрещеннойзоныихарактеристической энергии УбрахаПоскольку в аморфных полупроводниках трансляционная симметриянарушена, то это приводит к изменению зависимости и искажению формыкрая собственного поглощения по сравнению с кристаллической фазой.В области энергий, превышающих ширину запрещенной зоны   Eg(см.

область 1 на рис. 2.16), наблюдается больший наклон у кристаллов посравнению с аморфной фазой, что является следствием нарушения правилаотбора по квазиимпульсу; соответствующий участок кривой поглощенияможет быть описан параболой в соответствии с моделью Тауца [101]:   B(  Eg )2(2.2)Рисунок 2.16. Спектр поглощения аморфного полупроводника(1 – параболический участок, 2 – «хвост» Урбаха)При энергиях фотонов  <E g (рис. 2.16, область 2) у аморфныхполупроводников наблюдается размытый спад «хвост» коэффициентапоглощения,которыйвбольшинствеслучаевсоответствуетэкспоненциальному закону или т.н.

правило Урбаха:63   0 exp(  EgE0),  <E g(2.3)где E0 –характеристическая энергия Урбаха, связанная со степеньюнеупорядоченности аморфной матрицы.Для определения оптической ширины запрещенной зоны по спектрампоглощения в соответствии с выражением (2.2) были построены зависимости(  )1/ 2  f ( ) ,на которой выделялся линейный участок, затем онэкстраполировался до пересечения с осью абсцисс; точка пересеченияпрямой с осью ħω соответствует Eg.Для нахождения характеристической энергии E0 в соответствии свыражением (2.3), на спектре выделялся участок в области «хвоста» Урбаха,который затем аппроксимировался экспоненциальной функцией.2.3.3. Метод спектральной эллипсометрии2.3.3.1. Спектральная эллипсометрияЭллипсометрия – это оптический метод измерения, применяющийсядля исследования состояния поверхности, явлений на границе раздела двухфаз, структуры тонких поверхностных слоев и определения их толщины ипоказателя преломления, может выступать эффективным инструментомтехнологического контроля, исследования кинетики роста и травленияпленок (толщиной от долей нанометров до 10 мкм).Принцип метода эллипсометрии заключается в измерении изменениясостояния поляризации света после его отражения от поверхности образца,котороеопределяетсяотношениемкомплексныхфренелевскихкоэффициентов отражения для р- и s- поляризаций света (соответственно,параллельной и перпендикулярной к плоскости падения поляризацией) (см.рис.