2
Содержание
Введение. - 6
Глава 1. Оптические и фотоэлектрические свойства полупроводников с модифицированной поверхностью. Методы получения. (Литобзор) - 14
Введение - 14
§1.1. Поверхностные поляритоны на поверхности полупроводника с регулярным микрорельефом (дифракционной решеткой) - 16
1.1.1. Краткие сведения о поверхностных поляритонах
1.1.2. Возбуждение поверхностных поляритонов в туннельных МОМ-структурах
1.1.3. Поверхностные поляритоны в фотоприемниках на барьерах Шоггки
§ 1.2. Использование регулярного микрорельефа в оптоэлсктроии-
ке - 28
1.2.1. Распределенная обратная связь и вывод излучения в полупроводниковых лазерах
1.2.2. Ввод и вывод излучения в квантовых ямах и свсрхре-шетках (межподзонные переходы)
§ 1.3. Оптические свойства полупроводников с сильно модифицированной поверхностью (на примере пористого кремния) - 32
1.3.1 Фотолюминесценция пористого кремния
1.3.2. Поляризация фотолюминесценции пористого кремния
1.3.3. Быстрая полоса фотолюминесценции и оксидирование пористого кремния
1.3.4. Электролюминесценция пористого кремния
§ 1.4. Фототравление как метод создания модифицированной поверхности полупроводников
1.4.1. Методы получения регулярного микрорельефа
1.4.2. Аппаратура для изготовления регулярного микрорельефа
1.4.3. Используемые полупроводники и параметры регулярного рельефа
1.4.4. Методика изготовления слоев пористого кремния
1.4.5. Механизмы образования пористого кремния
-54
3
Глава 2. Разработанные методики получения и исследования поверхности твердых тел с регулярно модифицированной поверхностью (дифракционной решеткой) - 67
§ 2.1. Теория фотохимического травления полупроводников - 67
§ 2.2. Разрешающая способность процесса, факторы, ограничивающие предельное разрешение - 72
§ 2.3. О соответствии формы рельефа распределению освещенности '
§ 2.4. Контроль за ходом процесса травления _ ^
§ 2.5. Разработка составов травителей и достигнутые результаты - 90
§ 2.6. .Прецизионное травление металлов - 94
Глава 3. Резонансы фототока и поверхностные нолярнтоны в полупроводниковых структурах с дифракционными решетками на границах раздела _ 93
§3.1. Фотоэлектрическое проявление возбуждения поверхностных иоляритонов на внешней поверхности металла (быстрая мода) в структурах металл - полупроводник (диодах Шотт-ки) - 98
3.1.1. Поляритонная природа резонансов фототока в диодах Шоттки
3.1.2. Механизм возникновения резонансного фотоогвета в
полупроводнике
3.1.3. Влияние толщины металла и глубины рельефа на резонансное усиление фотоответа в полупроводнике
3.1.4. Влияние возбуждения поверхностных поляритонов на электролюминесценцию структур
§ 3.2. Свойства диодов Шоттки при возбуждении поверхностных поляритонов на границе металл - полупроводник (медленная мода) _ 111
§ 3.3. Расчет распределения электромагнитных нолей в слоистых структурах с дифракционными решетками на границах раздела -118
3.3.1. Резонансное возбуждение поверхностных поляритонов в структурах полупроводник- оксид - металл
3.3.2. Двойное усиление электромагнитного поля поляритонов в диодах Шоттки
З.З.З.. Взаимодействие поверхностных поляритонов в
4
излучающих туннельных МОМ-структурах
§ 3.4. Применения исследованных резонансных явлений
3.4.1. Спектрально-селективные фотоприемники
3.4.2. Поляризационно-чувствительные детекторы - 138
Глава 4. Особенности поверхностных ноляритоно» в полупроводниковых структурах с дифракционными решетками на границах раздела -143
§ 4.1. Дисперсионная кривая поверхностных поляритонов в структуре воздух -металл - полупроводник -143
§ 4.2. Возбуждение поверхностных поляритонов при освещении
ТЕ-поляризованным светом - 147
§ 4.3 Взаимодействие света с глубокими резонансными дифракционными решетками -153
§4.4 Поверхностные дифрагированные волны -157
Глава 5. Новые методики получения пористых слоев полупроводников ‘
§5.1. Получение частично оксидированных слоев пористого
кремния при импульсном анодировании кремния - 160
§5.2. Оксидирование нанокристаллитов кремния обработкой в
тяжелой воде ' 164
§ 5.3. Управление размерами нанокристаллитов при помощи света
разной длины волны - 169
§ 5.4. Модифицированная модель образования пористого кремния -171
5.4.1. Реакция диспропорциоиироваиия на начальной стадии образования пор
5.4.2. Роль света при образовании пористого кремния на подложках р-типа.
Глава 6. Квантоворазмерная природа фото- и электролюминесценции пористого кремния. " 1^2
§ 6.1. Электролюминесценция в системе кремний - пористый
кремний - электролит - 182
6.1.1. Методика измерений
6.1.2. Спектральные характеристики катодной электролю-
минесценции
6.1.3. Кинетика электролюминесценции
6.1.4. Поляризационные зависимости в электролитах с раз-
5
ной смачиваемостью
§ 6.2. Модель переноса зарядов и возникновения электролюминесценции в системе кремний - нанокристаллиты кремния -электролит. Сравнение с экспериментом - 195
6.2.1. Биполярная инжекция электронов и дырок в нанокри-
сталлиты кремния
6.2.2. Электрохимические процессы при катодной электро-
люминесценции пористого кремния
6.2.3. Электрохимические процессы при анодной электро-
люминесценции и окислении пористого кремния
6.2.4. Энергетический обмен при электролюминесценции
пористого кремния
6.2.5. Сравнение разработанной модели с эксперименталь-
ными данными
§ 6.3. Фотолюминесценция пористого кремния, изготовленного по
новым методикам главы 5 .207
6.3.1. Поляризация фотолюминесценции частично оксиди-
рованных слоев пористого кремния.
6.3.2. Инфракрасная полоса фотолюминесценции пористого кремния
Заключение. Основные результаты и выводы - 215
Список основных работ автора - 220
Литература 226
6
Введение
Актуальность работы. В последние десятилетия особенно интенсивно развивается физика поверхности и тонких слоев твердых тел. Это связано с тем, что современные полупроводниковые приборы - это, главным образом, слоистые планарные структуры, причем поверхности и ]рани-цы раздела этих слоев играют существенную роль в формировании свойств этих приборов.
В период бурного развития голографии и оптоэлектроники возникла потребность в создании и изучении свойств неоднородной поверхности полупроводников. Прецизионный регулярный рельеф необходим для использования как в качестве пассивных и активных элементов оптоэлектроники, так и в качестве голограмм и отражательных голо-графических решеток в спектроскопических приборах. В 1971 году была показана принципиальная возможность замены в полупроводниковых лазерах резонатора типа Фабри-Перо периодической структурой и было сообщено о создании лазера с активной средой, в которой показатель преломления периодически менялся от слоя к слою [1]. Впоследствии такие лазеры получили название лазеров с распределенной обратной связью (РОС-лазеров). В эго же время в ФТИ им. Иоффе был предложен новый тип лазера с выводом излучения при помощи дифракционной решетки на поверхности активного слоя гстероструктуры для уменьшения расходимости излучения и одновременного использования РОС-эффекта, и была развита его теория [2]. Возникла проблема создания на поверхности полупроводников дифракционных решеток высокого качества и большой пространственной частоты.
Потребности практики приводят к необходимости всестороннего исследования свойств полупроводников с профилированной поверхностью, тех особенностей оптических и фотоэлектрических свойств, кото-
7
рые могут возникать при взаимодействии света с неоднородностями масштаба длины волны. При этом можно было ожидать появления различных резонансных эффектов, связанных с усилением локальных электромагнитных полей на этих неоднородностях. Особенный интерес в этом случае представляют слоистые гофрированные структуры, содержащие металлические поверхности.
Уменьшение размеров элементов микроэлектроники привело к развитию физики низкоразмерных структур - от планарных двумерных к одномерным и нульмерным (квантовым точкам), а также к созданию приборов на принципах квантовой механики. Одним из примеров таких структур является сильно развитая поверхность твердого тела, когда глубина ее неоднородностей сравнима с толщиной слоя материала, а размеры неоднородностей сравнимы с длиной экранирования. Пористый кремний - самый яркий и известный пример квантово-размерной системы на основе сильно развитой поверхности полупроводника. Изучением его свойств занимаются ведущие оптические лаборатории мира.
Целью настоящей работы было исследование оптических и фотоэлектрических свойств твердых тел с неоднородной модифицированной поверхностью, главным образом, слоистых структур с регулярным прецизионным рельефом (дифракционной решеткой) на границах раздела, а также пористых структур с неоднородностями квантово-размерного масштаба. Для достижения этой цели предполагалось решить следующие задачи:
1. Разработать методику создания прецизионного периодического рельефа на поверхности различных твердых тел с минимальными нарушениями их структуры, исследовать возможности и пределы применимости этой методики.
2. Исследовать оптические и фотоэлектрические свойства как объемных, так и слоистых структур с регулярно профилированными но-
8
верхностями и границами раздела, и резонансные явления, возникающие в них.
3. Модифицировать методики получения полупроводниковых сред с развитой поверхностью, когда высота профилирования сравнима с толщиной образца.
4. Исследовать оптические и фотоэлектрические свойства таких сред на примере пористого кремния с квантово-размерными нанокристалли-тами.
Научная новизна работы определяется новизной основных результатов, выносимых на защиту, а также тем, что в ней:
- разработаны новые методики модификации поверхности полупроводников;
- рассмотрены и объяснены процессы образования иод действием света регулярного микрорельефа на границе полупроводник - электролит;
- обнаружен и исследован ряд новых резонансных эффектов, связанных с возбуждением поверхностных поляритонов в слоистых структурах;
- получена эффективная видимая электролюминесценция в системе кремний - пористый кремний - электролит и создана модель, объясняющая ее возникновение.
Научная и практическая значимость работы обусловлена тем, что исследования, выполненные в диссертации, представляют не только фундаментальный, но и практический интерес. Разработаны новые методики модифицирования поверхности твердых тел. Полученные результаты были использованы для разработки новых оптоэлектронных приборов, частично они были использованы при создании лазеров с распределенной обратной связью. Разработаны селективные и поляризационно-
9
чувствительные фотодиоды Шотоси. Получена эффективная (до 1%) видимая электролюминесценция пористого кремния в контакте с окисляющими электролитами.
На защиту выносятся следующие положения:
Положение 1
Резонансы на спектральных и угловых зависимостях фототока и резонансы р-поляризованной электролюминесценции в слоистых структурах металл - полупроводник (контакт Шоттки) возникают при наличии дифракционных решеток на границах раздела структуры и вызваны возбуждением поверхностных поляритонов на внешней или внутренней границе металлического слоя. Волновые вектора поверхностных поля-ритонов в такой структуре меньше волновых векторов поляритонов на гладкой границе диэлектрик - полубесконечный металл.
Положение 2
Поляритонные резонансы усиливаются при одновременном возбуждении в структуре двух поляритонных мод и конверсии одной моды в другую. Двойное резонансное туннелирование электромагнитного поля происходит, когда моды возникают на обеих сторонах металлического слоя и направлены в одну сторону. Дополнительные резонансы оптических и фотоэлектрических свойств слоистой структуры дают две поляритонные моды на одной стороне металлического слоя, движущиеся под углом друг к другу и возникающие при возбуждении поверхностных поляритонов светом Б-поляризации.
10
Положение 3
Глубокое профилирование поверхности полупроводников вызывает резонансные эффекты, аналогичные поляритонным резонансам на металлах. Наблюдаемые эффекты - подавление зеркального отражения р-ноляризованного света и резонансное возрастание фотопроводимости - связаны с возбуждением на границе полупроводник - металл поверхностной электромагнитной волны, амплитуда которой экспоненциально спадает при удалении от границы раздела в воздух, а коэффициент затухания в полупроводнике является комплексной величиной.
Положение 4
Видимая, высокой эффективности (до 1%), электролюминесценция пористого кремния в контакте с окисляющими электролитами обеспечивается биполярной инжекцией электронов и дырок из электролита в квантово-размерные нанокристаллиты с последующей излучательной рекомбинацией в нанокристаллитах. Инфракрасная электролюминесценция пористого кремния определяется излучательной рекомбинацией электронов подложки и неквантоворазмерных макрокристаллитов с инжектированными из электролита дырками.
Положение 5
Обнаружено возрастание поляризации фотолюминесценции и появление анизотропии поляризации при частичном оксидировании пористого кремния. Возрастание поляризации объясняется увеличением асимметрии квантово-размерных нанокристаллитов кремния, а анизотропия при нерезонансном возбуждении фотолюминесценции возникает благодаря разным скоростям окисления разных кристаллографических плоскостей нанокристаллитов.
11
Положение 6
Высокая разрешающая способность разработанного метода интерференционного травления полупроводников определяется малой эффективной длиной растекания неосновных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. Эффективная длина носителей заряда существенно меньше их диффузионной длины благодаря высокой скорости рекомбинации на границе с электролитом и сильному приповерхностному изгибу зон.
Положение 7
Объяснен начальный рост пор при формировании пористого кремния появлением на поверхности кремния затравочных дефектов -"дополнительных" атомов кремния. Эти атомы появляются в результате обмена электронами между двумя двухвалентными ионами кремния, образующимися при протекании тока через границу кремний- электролит. Обмен электронами приводит к появлению четырехвалентного иона и нейтрального атома кремния.
Публикация результатов диссертации
Основное содержание диссертации отражено в 53 опубликованных работах и 29 тезисах докладов представленных на Всесоюзных, Всероссийских и Международных конференциях, а также в 9 авторских свидетельствах на изобретение. Материал, не включенный в диссертацию, опубликован в 17 статьях, 4 авторских свидетельствах и 5 тезисах докладов.
Апробация работы.
Основные результаты работы были представлены на Международных конференциях:
симпозиуме "Физика поверхности твердого тела" (Прага, 1980), конфе-
12
ренции по рекомбинации в А3В5 "Recon-83" (Прага, 1983), конференции по физике поверхности и границы раздела (Рсйнгардсбрунн,1983), совещании по спектроскопии (Балатон, 1986), 3-й конференции по физике и технологии GaAs и других полупроводников А3В5 (Татранска Ломни-ца, 1988), симпозиуме по прикладной оптике общества SPIE (Сан-Диего, 1991);
на Всесоюзных конференциях: по физике полупроводников (Баку, 1982, Минск, 1985, Кишинев, 1988, Киев, 1990), конференции "Физика и применение контакта металл-полуироводник'1 (Киев, 1987), 20-м съезде по спектроскопии (Киев, 1988), 7-й и 8-й конференциях по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1988 и Репино, 1990), 1-й конференции по физическим основам твердотельной электроники (Ленинград, 1989), конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках” (Ташкент, 1989), 1-й конференции "Физика и конверсия" (Калининград, 1991), 3-м, 4-м и 5-м семинарах по физической химии поверхности полупроводников (Новосибирск, 1978 и 1981, Владивосток,1985), 4-м и 5-м семинарах по фотофизике поверхности (Овсяное, 1986 и 1989); 1-й и 2-й республиканских конференциях "Фотоэлектрические явления в полупроводниках" (Ужгород,1979 и Одесса, 1982), а также на семинарах в ГОИ им. С. И. Вавилова, ФТИ им. А. Ф. Иоффе АН СССР.
Результаты работы докладывались на 2-ом, 5-м и 7-м международных симпозиумах «Наноструктуры: физика и технология» (Репино, 1994, 1997 и 1999), на 2-ой и 3-ой Российских конференциях по физике полупроводников (Зеленогорск, 1997 и Новосибирск, 1999), на 22-ой Международной конференции по физике полупроводников (Ванкувер, 1994), на конференции Европейского общества по материаловедению -EMRS (Страсбург, 1995) , на 185 и 189 симпозиумах Американского электрохимического общества - ECS ( Чикаго 1995 и Монреаль 1997) и
13
на других совещаниях и конференциях, а также на семинарах Мюнхенского технического университета (физический факультет Е-16) и ФТИ им. А.Ф. Иоффе АН СССР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, перечня основных результатов работы и списка литературы. Она содержит 245 страниц машинописного текста, 110 рисунков, 3 таблицы и 224 ссылки на литературные источники.
Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН, частично измерения люминесценции пористого кремния были проведены в Мюнхенском техническом университете на физическом факультете Е-16.
14
Глава 1.
Оптические и фотоэлектрические свойства полупроводников с модифицированной поверхностью. Методы получения. (Литобзор).
Введение
Полупроводники с неоднородной модифицированной поверхностью широко используются при создании различных оптоэлектронных приборов. К началу исследований данной работы основное внимание уделялось изучению антиотражающих свойств неоднородной поверхности, используемой в фотодиодах и солнечных элементах для улучшения собирания излучения.
Известно, что суммарное поглощение света в полупроводнике с шероховатыми поверхностями может быть увеличено примерно в п2 раз (п - показатель преломления полупроводника) по сравнению с поглощением в полупроводнике с плоскими границами [3]. Наиболее широко этот эффект использовался в солнечных элементах [4] на кремнии. Шероховатые поверхности использовались и для увеличения примесного поглощения в полупроводниках за счет многократного прохождения света внутри образца [5, А1]. Исследовались фотопроводимость, фотолюминесценция [6], и поляризационные свойства [7] структур с такими поверхностями. Показано, что не только фотопроводимость, но и интенсивность ФЛ кремния, подвергнутого текстурированию в растворах, увеличивалась в 20 - 30 раз.
Большой интерес в эго же время вызвал эффект гигантского усиления рассеяния света адсорбированными на поверхности молекулами [8]. Эффект объяснялся усилением локальных электромагнитных полей благодаря возбуждению поверхностных электромагнитных волн, или поверхностных поляритонов (ПП), на шероховатой поверхности твердого тела. От изучения случайных неоднородностей естественен был пе-
15
реход к изучению свойств регулярно профилированной поверхности. Помимо большого количества работ, посвященных способам получения регулярного микрорельефа на поверхности полупроводников, в научной литературе можно выделить работы по двум направлениям: 1-ое направление - это исследование проблемы ввода и вывода излучения из полупроводниковых структур и созданию отражающих дифракционных решеток как самостоятельных элементов оптоэлектроники; а второе -изучение возбуждения и распространения ПП на регулярно профилированной поверхности полупроводников и тех особенностей оптических и фотоэлектрических свойств, которые появлялись при этом.
Увеличение глубины рельефа привело к созданию слоев с развитой поверхностью, свойства которых существенно отличаются от свойств исходного объемного полупроводника. Пленки, толщина которых сравнима с высотой шероховатости и длиной экранирования, представляют собой фактически новые неоднородные среды. Основные свойства их отличаются от свойств монолитных материалов. Причинами этих отличий при размерах компонентов, сравнимых с длиной экранирования, являются взаимная поляризация компонентов и влияние поверхностных явлений. Дальнейшее уменьшение масштаба неоднородностей приводит к появлению квантово-размерных эффектов в свойствах таких пленок.
Ярким примером неоднородного полупроводникового материала, полученного благодаря увеличению его поверхности травлением, служит пористый кремний. Пористый кремний (рог-51) известен уже более 40 лет [9], изучением его оптических свойств занимались и у нас [10]. В частности, в [11] отмечалось уменьшение коэффициента преломления пористого кремния и возрастание сопротивления слоя с увеличением пористости. Однако широкие исследования уникальных свойств рог-81 началось лишь в последнее десятилетие, после обнаружения интенсив-
16
ной фотолюминесценции por-Si в видимом диапазоне спектра и объяснения этого явления как квантоворазмерного эффекта в кремниевых нанокристаллитах [12, 13].
1.1. Поверхностные поляритоны на поверхности полупроводника с регулярным микрорельефом (дифракционной решеткой)
1.1.1. Краткие сведения о поверхностных поляритонах
Основные свойства поверхностных поляритонов, методы их возбуждения, детектирования и использование для исследования различных оптических явлений на поверхности твердых тел подробно описаны в монографии «Поверхностные поляритоны» серии «Современные проблемы науки о конденсированных средах» [14]. ПП — плоская гармоническая волна, распространяющаяся вдоль границы раздела двух сред с диэлектрическими проницаемостями 8] и е2, с частотой со и волновым вектором Кр, тогда как в направлении, перпендикулярном границе раздела (z), поле волны экспоненциально затухает:
Е-Ео exp [iKjc х + K:z] exp (—icot), Кх, Kz>0. (1.1)
Такая волна удовлетворяет уравнениям Максвелла при следующих условиях:
1) е одной из сред отрицательно. Наиболее распространенным примером такой среды является металл при частоте, ниже плазменной. Для большинства металлов этот диапазон охватывает не только видимую и ПК области спектра, но и ближний ультрафиолет. Г1П на границе с металлами называют также поверхностными плазмонами, и в данном обзоре обсуждаются, главным образом, ПП плазменного типа (о других типах ПП см. [14]).
2) z-компонента волнового вектора ПП, т. е. постоянная затухания волны при удалении от границы раздела, равна
17
*10 уСм'1
Рис. 1.1. Дисперсионные кривые Г1П: 1 — на границе вакуум (воздух)—Ag, 2— на границе полупроводник (8 = 10) - А*
Рис. 1.2. Оптические методы возбуждения ПП: а — призменный (геометрия Отто), б— призменный (геометрия Кречманна), в— решеточный.
18
Кг = (Кх2-є,К„2)ш, Ко = со/с = 2п/1,
(1.2)
3) х-компонента волнового вектора равна
кх=кр=к0
\£{+£2
Фазовая скорость ПП меньше скорости света, и в соответствии с этим дисперсионная кривая ПП лежит правее световой линии (рис. 1.1), нигде с ней не пересекаясь, другими словами, ПП является нерадиационной
4) ПП является поляризованной ТМ-волной, магнитный вектор которой имеет только ^-компоненту, а электрический лежит в плоскости хг.
При выполнении этих условий ПП является собственной модой электромагнитного поля системы, включающей границ}’ указанных двух сред.
Для возбуждения ПП оптическими методами необходимо согласовать волновые векторы ПП и объемной электромагнитной волны данной частоты со. Наибольшее распространение получили два метода — призменный и решеточный. В первом методе на некотором расстоянии с/ от границы раздела располагается призма с показателем преломления п, большим показателя преломления среды 1 (рис. 1.2, а— геометрия Отто [15]). Объемная волна внутри призмы падает на границу раздела под углом 0, большим угла полного внутреннего отражения, и имеет волновой вектор, превышающий волновой вектор света в среде /. Известно, что при полном внутреннем отражении поле электромагнитной волны за пределами призмы спадает по экспоненте по мере удаления от границы. Если в область экспоненциального спада поля ввести металлическое тело с плоской поверхностью, параллельной поверхности призмы, то при некотором угле падения 0 величина тангенциальной компоненты Кк в
модой.
19
призме совпадет с величиной волнового вектора ПП на границе металл—воздух:
Кх = Коп*тЪ=*Кг (1.4)
При этом энергия поля «откачивается» на возбуждение ПП, и наблюдается значительное уменьшение интенсивности отраженного излучения. Этот метод получил название НГТВО (нарушенною полною внутреннего отражения). На рис. 1.2, б показана другая разновидность метода НПВО — геометрия Кречманна [16]. В этой геометрии на поверхность призмы нанесена тонкая пленка металла, а ПП возбуждается на ее внешней поверхности.
Во втором методе (рис. 1.2, в) дифракционная решетка (ДР) преобразовывает падающую световую волну в ПП в процессе дифракции т-то порядка. При некотором угле падения 0 величина тангенциальной компоненты волнового вектора дифрагированного света в w-ом порядке дифракции может совпасть с величиной волнового вектора ПП:
Кр = К0 sin в + mG, m=0, ±1, ±2,..., (1.5)
где G = 2л/а, а — период решетки, в — угол падения света на решетку,
Кр— волновой вектор ПП. Угол 0 при этом больше угла, при котором w-дифрагированный порядок скользит вдоль поверхности. Так же как и в призменном методе, наблюдается резонансное возбуждение ПП, сопровождаемое уменьшением интенсивности зеркально отраженного света. В этом методе можно наблюдать возбуждение ПП при нескольких углах падения, соответствующих разным значениям m при фиксированной длине волны, или на нескольких длинах волн при фиксированном угле падения.
Таким образом, простейший способ детектирования ПП — наблюдение резонансною уменьшения интенсивности зеркально отраженного излучения. Эффективность преобразования объемной световой
20
волны в ПП определяется в призменном методе расстоянием между призмой и границей раздела, по которой распространяется ПП (или толщиной слоя металла), а в решеточном методе — порядком дифракции, глубиной и формой штрихов решетки и может быть близкой к 100 % (т. е. коэффициент отражения падает до нуля).
Поскольку ПП является нормальной модой системы, напряженность ее поля, генерируемого при резонансном возбуждении, значительно больше напряженности поля в нерезонансном случае и определяется комплексными значениями диэлектрических проницаемостей граничащих сред. Электромагнитное поле ПП имеет максимальную амплитуду у границы раздела, которая может существенно превышать амплитуду падающей волны.
1.1.2. Возбуждение поверхностных ноляритонов в туннельных МОМ-структурах
Возбуждением ПП в слоистых структурах с шероховатыми границами раздела было объяснено световое излучение из тонкопленочной структуры металл - оксид - металл при приложении к ней внешнего напряжения и=1—3 В [17-19].
Плоская тонкопленочная структура металл—оксид— металл (обычно А1—АЬОз—А1 или Ag—А1203—А1) с туннельно тонким диэлектриком известна прежде всего как детектор электромагнитного излучения от ИК диапазона до СВЧ [20-22], используемый также в видимом и УФ диапазонах [23, 24]. Фотоэффект в МОМ-структуре обеспечивается поглощением электромагнитной волны металлическим слоем («антенной») и эмиссией электронов из одного металла в другой. При работе в ИК и дальней ИК областях спектра доминирующим механизмом является туннельное прохождение генерированных светом электронов сквозь потенциальный барьер диэлектрика (оксида), а в видимом и
21
ультрафиолетовом диапазонах спектра основным является переход носителей через барьер [25]. На рис. 1.3 изображены энергетическая диаграмма МОМ структуры и спектральная зависимость фотогока при разных толщинах оксида [26]. Подробный обзор исследований внутренней фотоэмиссии и переноса тока в этих структурах дан в работах Кадлсца и Гундлаха [27].
В соответствии с теоретической интерпретацией эффекта [28-31] механизм излучения света из МОМ структур можно представить в виде двух стадий. Первая: при протекании туннельного тока через МОМ-структуру возникает широкий спектр высокочастотных флуктуации тока, который индуцирует плазменные моды как объемные (на плазменной частоте металла), так и поверхностные (ПП) на границах металла с воздухом и оксидом, причем энергии квантов плазмонов заключены в пределах 0 < hw < ft(0o—eU Вторая стадия: переизлучение ПП в воздух. Поскольку волновой вектор ПП превышает волновой вектор объемной электромагнитной волны той же частоты, переизлучение ПП в воздух возможно только с помощью подходящих дифракционных решеток или случайных шероховатостей поверхности. Этот механизм был подтвержден в работах Киртли, Тейса и Цанга [32.33], наблюдением сильно поляризованного, зависящего от угла регистрации, излучения из МОМ-сгруктур, изготовленных на голографических дифракционных решетках, когда шаг решетки, длина волны и угол наблюдения однозначно связаны известным уравнением ПП на дифракционной решетке
(1.5).
Надо отметить, что в МОМ структуре возможно существование трех поверхностных мод: двух на внешних границах металлических слоев (так называемых «быстрых» мод с большой фазовой скоростью) и одной «медленной» моды в диэлектрике (е диэлектрика много больше г воздуха и подложки). Используемые толщины как металлических слоев
22
I
i
9
Ьш,эВ
Рис. 1.3. Спектральные зависимости фототока структуры
А1—Л2О3—А1. Толщина оксида, А: 1 — 31,2— 52. На вставке — энергетическая диаграмма МОМ структуры [26]. Ф| 2 — высота энергетических барьеров.
в} град
Рис. 1.4. Фототок структур А1 —А203—Ag с кросс-решеткой (7 — глубокая, 2— мелкая) и с гладкой поверхностью (3) [38], длина волны р-поляризованного света 476.9 нм. а — зависимость от смещения (+ V соответствует плюсу на Ag\ б — угловые зависимости.
<0
I
•С! ^
О
- Київ+380960830922