РОЗДІЛ 2
МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ
2.1. Досліджувані зразки
В дисертаційній роботі досліджувались шаруваті структури, що складались із п'єзоелектричного резонатора та напівпровідникової багатошарової гетероструктури GaAs/AlGaAs з квантовими ямами.
В якості п'єзоелектричних резонаторів використовувались кристали LiNbO3. Зразки мали форму прямокутних паралелепіпедів. Лінійні розміри (Lx, Ly, Lz) та тип зрізу досліджуваних зразків LiNbO3 наведено в таблиці 2.1. Неоднорідність лінійних розмірів зразків (?Lx, ?Ly, ?Lz) не перевищувала 0.05 мм.
Таблиця 2.1. Параметри досліджуваних зразків LiNbO3
ЗразокТип зрізуРозміриLx, ммLy, ммLz, ммLNO1Y-128o13.800.783.75LNO2Y-128o14.870.993.86LNO3Y4.950.745.64LNO4aY-128o20.120.783.74LNO4bY-128o14.710.783.75LNO5aY-128o5.980.713.94LNO5bY-128o6.130.683.95LNO6X0.7413.019.0
Переважна більшість досліджень даної роботи проводилась на зразках LiNbO3 Y - 128o - повернутого зрізу, а також використовувались кристали X - та Y - зрізів. Схему досліджуваних в роботі зрізів LiNbO3 представлено на рис. 2.1. Вибір Y - 128o - повернутого зрізу обумовлений тим, що для таких зразків притаманним є значний коефіцієнт електромеханічного зв'язку та низький рівень паразитних сигналів [121], завдяки чому вказані кристали LiNbO3 використовуються в якості п'єзоелектричних підкладинок для пристроїв акустоелектроніки, а також являються складовими частинами досліджуваних гібридних структур [116]. Крім того, кристали LiNbO3 Y - 128o - повернутого зрізу характеризуються більшим числом ненульових компонент тензорів матеріальних сталих в порівнянні із кристалами звичайних X - Y - чи Z - зрізів. Зважаючи на це, результати теоретичного розгляду та експериментальних досліджень характеристик коливань таких зразків мають більш загальний характер.
Зазначимо, що зріз кристалів в даній роботі позначається однією літерою, яка вказує напрям нормалі до поверхні кристалу, на котру подається збуджуючий сигнал. Це пов'язано з тим, що в дослідженнях використовувався режим резонансних коливань, при якому в зразку не збуджуються акустичні хвилі, а тому немає необхідності при позначенні зрізу вказувати напрям їх поширення.
В роботі досліджувались напівпровідникові гетероструктури GaAs/AlGaAs, вирощені методом молекулярно-променевої епітаксії. Використовувались кілька типів зразків, що відрізнялись розмірами шарів квантових ям та бар'єрів, а також кількістю періодів в структурі (рис. 2.2). Зразки всіх типів включали підкладку (001) n+ - GaAs, буферний шар GaAs:Si та власне гетероструктуру з N періодів квантових ям GaAs, розділених бар'єрами AlGaAs. Виміри виконано на 8 різних зразках, а параметри квантових ям та бар'єрних шарів (їх ширина, концентрація носіїв заряду) наведені у подальшому тексті.
Рис. 2.1. Схема зрізів досліджуваних кристалів LiNbO3: а) - X-зріз; б) - Y-зріз; в) - Y -128o - повернутий зріз
Рис. 2.2. Загальна схема досліджуваних напівпровідникових гетероструктур типу GaAs/AlGaAs. Кількість періодів N, ширина квантових ям LW та бар'єрних шарів LB для різних зразків вказані у тексті. В досліджуваних зразках першого типу на підкладці вирощувався буферний шар GaAs товщиною 3000 , легований кремнієм з концентрацією 1?1018 см-3. Далі вирощувалась структура, яка містила N = 30 періодів квантових ям GaAs товщиною LW = 100 кожна, розділених між собою бар'єрними шарами Al0.5Ga0.5As тієї ж товщини (LB = LW). Зверху структуру покривав шар GaAs товщиною 300 , легований Be з концентрацією 2?1018 см-3.
В зразках другого типу вирощувався буферний шар GaAs:Si (1?1018 см-3) товщиною 1000 . Гетероструктура містила N = 20 періодів квантових ям з товщиною LW =61 , розділених між собою бар'єрами Al0.2Ga0.8As з розміром LB =500 . Далі вирощувався шар GaAs товщиною 300 .
Структура зразків третього типу складалась з N = 20 періодів асиметричних квантових ям, товщиною LW1 = 55 (вузька яма) та LW2 = 61 (широка яма), що розділялись бар'єрними шарами Al0.5Ga0.5As (LB1 = 100 ). Крім того, кожен наступний період структури відділявся від попереднього за допомогою бар'єру Al0.2Ga0.8As з товщиною LB2 = 500 . Параметри буферного шару GaAs:Si та шару GaAs, що покривав структуру були такими ж як і у зразків другого типу.
В зразках четвертого типу на підкладці вирощувались шар GaAs товщиною 1000 , легований кремнієм з концентрацією 1?1018 см-3 та N = 10 періодів шарів Al0.2Ga0.8As: Si (1?1018 см-3) та AlAs: Si (1?1018 см-3) з розмірами 542 і 641, відповідно. Гетероструктура складалась із N = 20 періодів квантових ям GaAs товщиною LW =61 , розділених між собою бар'єрними шарами Al0.3Ga0.7As (LB =100 ). Структура покривалась шарами Al0.5Ga0.5As товщиною 500 та GaAs:Ве (2?1018 см-3) товщиною 300 .
Поперечні розміри досліджуваних напівпровідникових гетероструктур становили близько 4?4 мм2. На окремих зразках зі сторони підкладки наносився омічний контакт за допомогою AuGe сплаву.
2.2. Методика визначення власних частот п'єзоелектричних резонаторів LiNbO3
Власні частоти п'єзоелектричних резонаторів LiNbO3 та структур на їх основі в роботі визначались як резонансні (антирезонансні) частоти fr модуля повної провідності зразків . Для експериментальних вимірювань на протилежні грані досліджуваних зразків наносились металеві електроди. Для металізації резонаторів використовувалась паста з дрібнодисперсного срібла. Товщина нанесених електродів не перевищувала 20 мкм. Якість металізації контролювалось шляхом вимірювання тангенса кута діелектричних втрат (tg??) металізованих зразків на частоті 1 кГц. В експериментах величина tg?? не перевищувала 6·10-3.
При дослідженнях складених двошарових структур на основі п'єзоелектричних резонаторів LiNbO3, контакт між шарами забезпечувався шляхом нанесення проміжного шару між ними. Для створення жорсткого контакту використовувався клей марки "БФ-6" чи спиртовий розчин каніфолі. В якості проміжного шару для ковзкого контакту в досліджуваній структурі використ