Оглавление
1
Оглавление
Введение 4
Глава I
Генерация второй оптической гармоники на поверхности центросимметричных полупроводников: обзор литературы 10
1. Феноменологическое описание генерации второй гармоники: базовые положения....................................... 10
2. Генерация анизотропной второй гармоники в кремнии..... 14
3. Резонансные особенности в спектрах нелинейных оптических восприимчивостей полупроводников......................... 18
4. Спектроскопия интенсивности второй гармоники в кремнии .. 20
5. Влияние внешних воздействий на генерацию второй гармоники
в кремнии.............................................. 22
6. Цели и задачи диссертации............................. 26
Глава II Генерация второй оптической гармоники, индуцированной механическими напряжениями в кремнии 28
1. Методы исследования механических напряжений в кремнии: постановка, задачи.................................... 28
2. Экспериментальная установка по спектроскопии второй гармоники.................................................. 31
3. Экспериментальные результаты ............................. 39
3.1. Методика создания механических напряжений в кремнии 39
3.2. Изменение интенсивности и спектра второй гармоники при наложении двуосиого механического напряжения.. 45
Оглавление
2
3.3. Генерация анизотропной второй гармоники при наложении одноосного механического напряжения................ 49
4. Возможные механизмы влияния механических напряжений на генерацию второй гармоники................................... 52
5. Интерпретация результатов: роль критических точек Е(> и Е! зонной структуры кремния в генерации второй гармоники ... 57
Глава III
Нарушение инверсной симметрии кремния поверхностным постоянным электрическим током: генерация токоиндуцированной второй оптической гармоники 65
1. Феноменологическое описание генерации токоиндуцировашюй второй гармоники в полупроводниках..................... 65
1.1. Механизмы нарушения инверсной симметрии в центросимметричных полупроводниках........................... 65
1.2. Модель генерации токоиндуцировашюй второй гармоники и прямозонном полупроводнике...................... 66
1.3. Распределение плотности тока внутри полупроводника: выбор параметров образцов.............................. 70
1.4. Симметрийный анализ генерации токоиндуцированной второй гармоники: геометрия эксперимента............... 73
2. Экспериментальное исследование генерации токоиндуцированной второй гармоники в кремнии (001)................... 79
2.1. Процедура изготовления образцов................... 79
2.2. Интерферометрия токоиндуцированной второй гармоники и зависимость интенсивности токоиндуцировашюй второй гармоники от плотности тока..................... 82
2.3. Спектроскопия интенсивности токоицдуцироваиной второй гармоники.......................................... 84
Глава IV
Оглавление З
Размерные эффекты при генерации второй гармоники в кремниевых наночастицах 87
1. Структуры пониженной размерности.......................... 87
1.1. Методы создания структур пониженной размерности.. 88
1.2. Квантово-размерные аффекты в структурах пониженной размерности......................................... 91
2. Оптические методы исследования кремниевых наночастиц: постановка задачи........................................ 94
3. Экспериментальные результаты............................. 102
3.1. Процедура приготовления образцов кремниевых наночастиц и экспериментальная установка................... 102
3.2. Спектроскопия интенсивности второй гармоники в кремниевых ианочастицах.................................... 107
3.3. Линейная спектроскопия кремниевых наночастиц 118
4. Интерпретация результатов................................ 118
4.1. Аппроксимация спектров интенсивности второй гармоники. анализ результатов............................... 118
4.2. Квантово-размерные эффекты при генерации второй гармоники в кремниевых наночастицах....................... 125
4.3. Метод выделения спектрального контура квадратичной восприимчивости кремниевых нанокристаллитов с учетом эффектов запаздывания и многолучевой интерференции................................................. 127
Заключение 132
Список литературы
135
Введение
4
Введение
Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию спектрального поведения квадратичного нелинейно-оптического отклика кремния и кремниевых ианочастиц. Особое внимание уделено изучению механизмов влияния внешних механических напряжений, электрического постоянного тока и размерных эффектов на генерацию второй оптической гармоники (ВГ) в кремнии.
Нелинейная оптика поверхности центросимметричных сред является одной из интенсивно развивающихся в последние годы областей нелинейной оптики. Чувствительность эффекта генерации ВГ к нелинейнооптическим свойствам поверхности обусловлена наличием симметрийного запрета на генерацию ВГ в объеме центросимметричных сред в дипольном приближении. Поэтому основные источники ВГ в таких средах находятся в приповерхностном слое, где инверсная симметрия нарушена. Явление анизотропии ВГ, проявляющееся в зависимостях интенсивности, поляризации, диаграммы направленности излучения ВГ от угла поворота образца вокруг нормали к его поверхности, отражает симметрию исследуемого объекта и его приповерхностного слоя. В частности, явление анизотропии интенсивности ВГ позволяет исследовать структурные изменения поверхности центросимметричных полупроводников. Было показано, как реконструкция поверхности отражается на виде анизотропной зависимости интенсивности ВГ. По виду анизотропии интенсивности ВГ можно определять угол разориентации поверхности с точностью до долой градусов. Также явление генерации анизотропной ВГ было применено к исследованию симметрийных и ориентационных свойств тонких пленок толщиной вплоть до монослоя, параметров шероховатости поверхности полупроводников и металлов, адсорбции атомов и органических молекул на поверхности центросимметричных сред.
Другой класс явлений связан с нелинейно-оптическим откликом центросимметричных полупроводников при наложении на него внешних воздействий. Наиболее исследованным является эффект генерации ВГ при
Введение
5
наложении внешнего электростатического поля - элсктроиндуцированная вторая гармоника (ЭВГ). Было обнаружено, что ЭВГ чувствительна к зарядовым характеристикам поверхности и приповерхностного слоя, к плотности поверхностных состояний, к уровню легирования полупроводника. Также было исследовано изменение нелинейно-оптического отклика при подсветке исследуемого объекта постоянным лазерным излучением и при изменении его температуры.
Важной фундаментальной областью исследований является комплекс задач физики твердого тела, связанный с симметрией, морфологией, электронным спектром системы, находящейся под воздействием механических напряжений, и изменением этих параметров в присутствии поверхностей и границ раздела. Интерес к исследованиям механических напряжений в кремнии существует благодаря как их прикладной востребованности в микроэлектронике для диагностики качества микросхем, так и ряду фундаментальных задач, связанных с перестроением кристаллической решетки, появлением дислокаций, изменением оптических свойств и другими эффектами, вызванными механическими напряжениями. До сих пор не проводилось систематических исследований эффектов, связанных с механическими напряжениями, с помощью таких нелинейно-оптических методик, как генерация оптических гармоник. В силу высокой чувствительности генерации гармоник к симметрии кристалла, плотности зарядовых ловушек и дефектов ожидаются очень существенные изменения сигнала ВГ под действием внешних деформаций. Генерация второй гармоники чувствительна к механическим напряжениям как напрямую, что описывается нелинейным пьезооптическим тензором, так и опосредованно через механизмы снятия напряжения структурой - реконструкции, дислокации, дефекты и т.п. Спектроскопия ВГ является удобным методом для исследования модификаций электронной зонной структуры под воздействием внешних механических деформаций.
В качестве внешнего воздействия на полупроводники можно использовать электрический ток. В этом случае вклад в дипольный квадратичный отклик появляется из-за несимметричности функции распределения элск-
Введение
6
тропов в зоне проводимости. Однако экспериментальные исследования в этой области до сих пор проведены не были. Р1зучение влияния параметров электрического тока на генерацию В Г является важной экспериментальной задачей. Наблюдение токоиндуцированного эффекта открывает перспективы для развития новых методов исследования полупроводниковых устройств, позволяющих измерять направления и плотности токов в любых приповерхностных областях полупроводника.
Интерес к исследованию полупроводниковых нанокристаллов и наночастиц обусловлен проявлением в их электронных и оптических свойствах квантоворазмерных эффектов. Знание электронного спектра наночастиц и умение им управлять являются основой практического применения пано-частиц в качестве активной среды в инжекционных лазерах, плавающего затвора в сверхбыстрых элементах памяти, базы одноэлектронных приборов и других современных приборов опто- и наноэлектропики. Структуры с наночастицами кремния обладают большим потенциалом для применения в качестве элементарной базы фотоириемиых и светоизлучающих нелинейных оптических устройств, устройств памяти и лазеров благодаря их новым физическим свойствам и совместимости с хорошо развитой кремниевой технологией. Оптическая нелинейность напрямую связана с электронной зонной структурой, поэтому спектроскопия второй гармоники несет в себе информацию о зонной структуре и ее модификации при изменении размеров наночастиц кремния.
Целью диссертационной работы является, во-первых, экспериментальное исследование спектрального поведения квадратичного отклика кремния подверженного внешним механическим деформациям, а также про-теканию электрического тока вдоль поверхности. Во-вторых, в диссертации экспериментально исследовано влияние размерных эффектов на спектральные особенности В Г, генерируемой в кремниевых наночастицах.
Актуальность представленных исследований обусловлена фундаментальным интересом к механизмам влияния внешних механических напряжений, электрического постоянного тока и размерных эффектов на генерацию ВГ в кремнии. Чувствительность спектральных характеристик
Введение
7
ВГ к модификации зонной структуры под воздействием механических напряжений делает весьма привлекательным применение метода спектроскопии ВГ к диагностике механических напряжений. Явление генерации токоиндуцированной ВГ может быть применено в качестве дистанционного неразрушающего метода исследования направлений протекания и плотностей локальных электрических токов в полупроводниковых устройствах на основе кремния. Актуальным является вопрос возможности нелинейно-оптической диагностики размерных эффектов при наличии резонансов квадратичной иосприимчивости.
Практическая цсипость работы состоит в выяснении диагностических возможностей метода спектроскопии ВГ для исследования механических и электрических характеристик кремния, развитии чувствительных дистанционных методик контроля размеров кремниевых наночастиц.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- Проведено систематическое исследование генерации второй оптической гармоники на поверхности кремния под действием внешних механических напряжений. Обнаружена генерация анизотропной второй гармоники при создании одноосного механического напряжения. Показано, что анизотропия в интенсивности ВГ может проявляться только в случае, если основной вклад во ВГ дают переходы в окрестности критической точки Е{, комбинированной платности состояний зонной структуры кремния.
- Впервые наблюдалась генерация токоиндуцированной второй гармоники в кремнии в трех модификациях экспериментальной схемы: однолучевой интерферометрии ВГ, измерении спектроскопии ВГ и зависимости контраста интенсивности ВГ от силы тока.
- Исследована спектроскопия генерации ВГ в кремниевых наночастицах. Обнаружен сдвиг резонанса Е0/Е1 в спектре интенсивности ВГ в сторону больших энергий фотона ВГ при уменьшении размеров нанокристаллов, не связанный с квантово-размерными эффектами в зонной структуре кремниевых наночастиц такого размера.
Работа имеет следующую структуру.
- первая глава содержит обзор литературы, касающийся эксперимен-
Введение
8
тальных и теоретических исследований генерации ВГ в центросимметричных полупроводниках при внешних воздействиях, а также методов описания спектральных особенностей квадратичного отклика.
- вторая глава посвящена экспериментальному исследованию влияния внешних механических деформаций на генерацию ВГ в кремнии. Предложен механизм модификации зонной структуры под действием механических напряжений, объясняющий наблюдаемую анизотропию в генерации ВГ.
- третья глава посвящена экспериментальному исследованию токоиндуцированной ВГ в высоколегированном кремнии (001). Рассмотрена, модель генерации токоипдуцированной ВГ в кремнии.
- четвертая глава, посвящена результатам спектроскопии интенсивности ВГ кремниевых квантовых точек, содержит обзор исследований кремниевых нанокристаллов различными оптическими методами.
На защиту выносятся следующие основные положения:
• Результаты систематического исследования спектроскопии генерации второй гармоники в кремнии при наложении внешних механических напряжений. Обнаружение генерации анизотропной второй гармоники при создании одноосного механического напряжения.
• Обнаружение генерации токоиндуцированной второй гармоники в кремнии. Обнаружение резонанса в спектре токоиндуцированной 13Г в окрестности энергии фотона ВГ 3.53 эВ. отличного от резонанса прямых электронных переходов в окрестности критических точек Eq/Ej зонной структуры кремния.
• Обнаружение сдвига резонанса в спектре ВГ кремниевых наночастиц в сторону больших энергий фотона ВГ при уменьшении размеров наночастиц, не связанного с квантово-размерными эффектами.
Апробация работы проводилась на следующих конференциях:
• Международная конференция “Quantum Electronics and Laser Science Conference” (QBLS), Балтимор, США, май 2007
Введение
9
• Международная конференция “International Symposium of Integrated Optoelectronic Device” (SPIE), Сан Хосе, Калифорния, США, январь ‘2007
• Международная конференция “Frontiers in Optics”, Рочестер, Нью-Йорк, США, октябрь 2006
• Международная конференция “3rd International conference on material science and condensed matter physics”, Кишинев, Молдавия, октябрь 2006
• Международная конференция “Conference on Lasers and Electro-Optics”, Балтимор, США, май 2006
10
Глава I
Генерация второй оптической гармоники на поверхности центросимметричных полупроводников: обзор литературы
1. Феноменологическое описание генерации второй гармоники: базовые положения
Феноменологическое описание параметрических нелинейно-оптических процессов сложения частоты в твердом теле основано на разложении вектора нелинейной поляризации Р в ряд по степеням напряженности электрических полей накачки. В дипольном (локальном) приближении выражение для нелинейной поляризации будет иметь вид [1]:
р = Ц Х(т)°(и =ш1±ш2±...± шт) : Е(^)Б(^2)...Е(^т), (1)
т
/ч
где - тензор дипольной нелинейной восприимчивости среды поряд-
ка т. Малый параметр разложения (1) определяется как отношение напряженностей оптического поля накачки к внутриатомному полю. Для стандартных лазерных полей эта величина не превышает 10“2, что обосновывает возможность применения этого приближения. Квадратичная поляризация
Р<2)(и;) = х^2)п(и> = и;,- + : Е(сс^)Е(ил,) (2)
определяет отклик среды на суммарной частоте в дипольном приближении.
В общем случае нелинейно-оптический отклик среды нелокален: нелинейная поляризация в точке зависит от значения внешнего ноля в некоторой ее окрестности. Для учета нелокальности отклика используется муль-типольное разложение, учитывающее пространственную неоднородность
Вторая гармоника в центросимметричных полупроводниках
11
(дисперсию) электромагнитного поля:
р(2)(са) = х^°{ы = ± Шу) : Е(с^)Е(с*;,-)+
+£(2)0^ = ± Е(^)УЕ(^) И-...,
(3)
где - тензор 4-го ранга квадруиольной квадратичной восприимчиво-
сти среды. Пользоваться разложением (3) можно в тех случаях, когда характерный масштаб неоднородности поля много больше характерного масштаба неоднородности среды, линейный размер которого порядка атомного. Масштаб неоднородности поля может изменяться в пределах от порядка длины волны до атомного. В объеме твердого тела линейный размер неоднородности поля равен его длине волны и, следовательно, в оптическом диапазоне мультиполъиое разложение корректно. Масштаб неоднородности поля на поверхности твердого тела имеет размер порядка толщины приповерхностного слоя, где амплитуда электромагнитного сильно меняется из-за скачка диэлектрической проницаемости от единицы до объемного значения. Толщина приповерхностного слоя составляет несколько атомных слоев, и в этом случае мультипольное разложение не применимо.
Квадратичный нелинейно-оптический отклик от поверхности удобно характеризовать эффективной поверхностной нелинейной восприимчивостью Xя) которая связана с объемной хУ соотношением |2]:
где интегрирование производится по поверхностным слоям вдоль нормали. Таким образом поверхностный вклад в ВГ будет записываться в виде:
Вклад поверхности в нелинейно-оптический сигнал пренебрежимо мал по сравнению с объемным дипольным вкладом и для большинства твердых тел выделить его невозможно. Однако, существуют среды, в объеме которых тензор диполыюй нелинейной восприимчивости тождественно равен нулю и вклад в ВГ от объема определяется следующим членом муль-типолыюго разложения нелинейной поляризации, т.е. квадрупольным. В
(4)
Р(2)в(2и;) = *(2)5 : Е(ш)Е(ы).
(5)
- Київ+380960830922