РОЗДІЛ 2
ДОСЛІДЖУВАНІ ЗРАЗКИ І МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТУ
2.1. Досліджувані зразки
У даній дисертації досліджувались наступні гетероструктури: InGaAs/GaAs гетероструктури з одиночною квантовою ямою і кремнієві ниткоподібні кристали, відповідно.
2.1.1. Гетероструктури з одиночною квантовою ямою
В якості об'єкта досліджень були вибрані гетероструктури з одиночною квантовою ямою InxGa1-xAs, що вміщена в GaAs матрицю (Рис. 2.1). Усі параметри досліджуваних гетероструктур наведені у Табл.2.1. Усі зразки були вирощені за допомогою газофазної епітаксії з металоорганічних сполук в потоці водню при атмосферному тиску. Температура росту складала 650 К. Зразки C і D містили ?- шар германію, що розміщувався поблизу квантової ями.
Вирощені гетероструктури належать до структур з невідповідністю решіток квантової ями і матриці, так як для GaAs і InAs вона складає приблизно 7%. Для визначення ступеня дефектності таких структур, вводиться поняття критичної товщини, тобто товщини квантової ями, при якій дислокації невідповідності починають утворюватись. Зрозуміло, що при збільшенні вмісту індію у квантовій ямі ця товщина буде зменшуватись. Квантові шари, товщини яких менші за критичну, є пружно-напруженими, в той час як при товщина більше критичної, в шарах виникають дислокації невідповідності.
Зазвичай для обрахунку критичної товщини користуються моделлю, запропонованою у роботах [72, 73], у яких при припущенні ідеальної поверхні підкладки і рівномірного росту квантової ями встановлена залежність якості гетероструктур від різниці між об'ємними параметрами решіток і пружними константами обох матеріалів.
Отож, у нашому випадку, лише зразок А має товщину квантової ями, що приблизно відповідає критичній, і квантову яму можна вважати пружнонапруженою без дефектів невідповідності.
2.1.2. Кремнієві нитковидні кристали
Кремнієві нитковидні кристали були вирощені за допомогою методу газотранспортних реакцій у герметичній камері росту, що містить в якості транспортуючого агента бром і подрібнений монокристалічний кремній. Вихідний кремній був легований фосфором. Для забезпечення цієї реакції в трубці був сформований температурний градієнт (Рис. 2.2., робота [74]). Додатково, для контролю за осадженням виділених атомів і подальшим ростом мікрокристалів, в камеру росту вводились золото і платина. При температурі росту ці метали осідали на підкладці і формували крапельки, які в подальшому, відігравали роль каталізатора росту. Було виявлено, що діаметр кремнієвих ниток залежав від температури росту, концентрації домішок, і їх положення у трубці, як це показано на Рис. 2.2.
Аналіз росту і комп'ютерне моделювання показали, що такий ріст мікрокристалів є багатошаровим процесом, як це описано в роботі [75]. Він включає в себе наступні основні стадії:
* Доставка активного газу (SiBr2) до поверхні каталізатора і бічної поверхні зростаючого кристалу;
* Хемосорбція і розпад молекул;
* Дифузія атомів кремнію через об'єм каталізатора або по його поверхні до поверхні між каталізатором і кристалом;
* Вбудовування атомів кремнію у кристалічну решітку.
Процес вирощування відбувається наступним чином.
В гарячій частині трубки відбувається реакція з виділенням летючого з'єднання SiBr2, яке внаслідок температурного градієнту і градієнту концентрації дифундує у холодну частину трубки, де розкладається з виділенням чистого кремнію і нового з'єднання SiBr4:
2Si+2Br2 ?2SiBr2 ? Si+SiBr4.
Внаслідок великої різниці коефіцієнтів адгезії металу і діелектрика, а також каталітичних властивостей металевих крапель, атоми кремнію осаджуються на поверхні каталізатора, дифундують в його об'єм і відбувається ріст мікрокристалу. Нове з'єднання SiBr4 дифундує у гарячу частину трубки і там розкладається у SiBr2, після чого процес багаторазово повторюється, і так відбувається перенос атомів кремнію з гарячої зони у холодну, що і призводить до росту мікро кристалів у холодній зоні ростової камери
2.2. Методика експерименту
Для збудження системи використовувалась оптична накачка за допомогою наступних лазерів: неперервний He-Ne лазер ЛГИ-201 та імпульсний N2 лазер ЛГИ-21. Сигнал вимірювався за допомогою модифікованого спектрального комплексу КСВУ-23. Для підвищення чутливості цієї системи в неї було вбудовано системи реєстрації на змінному струмі для варіанту синхронного детектування.
2.2.1. Вимірювання фотолюмінесценції InGaAs/GaAs гетероструктур з використанням імпульсного N2 лазера
Для вимірювання при великих рівнях збудження був використаний імпульсний N2 лазер. Принцип роботи установки з імпульсним джерелом збудження приведений на Рис.2.3.
Позначення на рисунку та інструментальні похибки приладів:
Д - діафрагма;
Дз - дзеркало;
К - кварцовий конденсор;
Зр - зразок;
П - кварцева призма. Втрати - близько 15% випромінювання;
Пл - кварцова платівка;
Ф - фільтр БС-7;
1 - лазер;
2 - блок живлення лазера;
3 - імпульсний генератор Г5-54;
4 - джерело живлення фотоелемента П4103;
5 - фотоелемент Ф-26 зі сурм'яно-цезієво-калієвим фотокатодом;
6 - інтегруючий елемент;
7 - селективний підсилювач У2-6. Нерівномірність частотної характеристики: ?0.6 дБ в діапазоні 20Гц - 100кГц, ?3дБ в діапазоні від 100 до 200кГц. Похибка коефіцієнтів підсилення в режимі - ?10% при 20 Гц - 100кГц;
8 - синхронний детектор СД-1М. Комплектується модулятором оптичного випромінювання та працює від вбудованого джерела живлення. Наявність модулятора дозволяє використовувати СД-1М самостійно або в комплекті з селективним підсилювачем або вольтметром. При використанні СД-1М чутливість системи підвищується у 10 разів. СД-1М працює від синусоїдального опорного сигналу в 1-2В. На вході опорного сигналу має фазообертувач для налаштування фази до ?. СД-1М подавляє частоти кратні основній більш ніж у 3 рази. Основна похибка дорівнює 10% від суми кінцевих значень робочої частини шкали;