ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2008, том 72, № 4, с. 470-473
УДК 538.975
ИССЛЕДОВАНИЯ ПОРИСТОГО InP МЕТОДАМИ РЕНТГЕНОВСКОЙ ДИФРАКЦИИ, ИК-СПЕКТРОСКОПИИ, УМРЭС, XANES И ФЛ
© 2008 г. Э. П. Домашевская1, В. М. Кашкаров1, П. В. Середин1, В. А. Терехов1, С. Ю. Турищев1, И. Н. Арсентьев2, В. П. Улин2
E-mail: ftt@phys.vsu.ru; arsentyev@mail.ioffe.ru
Проведены комплексные исследования методами рентгеновской дифракции и ИК-спектроскопии, ультрамягкой рентгеновской спектроскопии (УМРЭС), спектроскопии ближней тонкой структуры края рентгеновского поглощения (XANES - X-ray absorption near edge structure) и фотолюминесценции (ФЛ) слоев пористого фосфида индия (por-InP), полученных анодным импульсным электрохимическим травлением монокристаллических пластин InP(100) n-типа проводимости (n ~ 1018). Полученные данные показали, что поверхностные слои por-InP имеют кластерную структуру с образованием квазимолекул InP.
ВВЕДЕНИЕ
Пористые фосфиды привлекают внимание исследователей, благодаря своим необычным оптическим и электрофизическим свойствам, которые отличаются от свойств соответствующих монокристаллических материалов вследствие кванто-во-размерных эффектов. Помимо этого, пористые структуры на основе InP могут быть использованы в качестве матрицы для получения квантово-раз-мерных структур, например квантовых проводов.
1. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе исследованы образцы, полученные в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. Пористый слой на фосфиде индия я-типа проводимости (n ~ 1018 см3), выращенного в направлении (100), получали методом анодного импульсного (2 Гц) электрохимического травления монокристаллических пластин InP. Структурные исследования образцов por-InP были проведены методом рентгеновской дифракции на дифрактометре ДРОН-4-07.
ИК-спектры решеточного отражения от исследуемых структур получали при комнатной температуре в интервале от 200 до 600 см1 на фурье-ИК-спектрометре Vertex 70 (Bruker).
Дисперсионный анализ ИК-спектров отражения от монокристаллических пластин InP(100) проводили в одноосцилляторном приближении по методу Спитцера, Клеймана, Фроша [1]. Коэффициент отражения R в данном случае представляется в следующем виде:
R (ю) =
( n(ю)- 1 )2 + к(ю ) 2 ( n (m) + 1 )2 + к (m)2
(1)
С учетом соотношений
£1(ю) = n(m)2-к(ю)2,
(2)
е2(ю) = 2п (ю) к (ю) рассчитываем действительные и мнимые части величины диэлектрической проницаемости е^ю) и е2(ю) как
£1 (ю) = £„
1+
(ю LO - Юг0)( Ю2Та - ю2 )
, 2 2 - 2 2 (юТ0 - ю ) + ю у
82 (ю) = £„
юу
( ю L O - ю То)
, 2 2 , 2 2 (юТ0 - ю ) + ю у
(3)
где юьо, юТ0, у, е^ - частоты продольных и поперечных колебаний, коэффициент затухания и высокочастотная диэлектрическая проницаемость соответственно.
Для моделирования ИК-спектров решеточного отражения от пористых образцов расчетные спектры вычисляли с учетом модели: полубесконечная подложка с диэлектрической функцией е^ и поверхностная тонкая пленка (пористый слой) толщиной с1 с диэлектрической функцией е^. В данной модели коэффициент отражения для нормального падения имеет вид [2]
R=
r f ( ю ) + r fs( ю) • exp ( i 2 p ) 1 + rf ( ю) • r fS(rn ) • exp (i2 p)
где
rf (ю) =
1-7 £ f (ю)
1 + V £ f (ю)' f j£ f (ю) + J £s (ю)'
j£f (ю) -J£5(ю)
(4)
(5)
где
1 Воронежский государственный университет.
2Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-
Петербург.
Р =
2 nd*J £ f (ю)
X
X = 10000/ю - длина волны.
ИССЛЕДОВАНИЯ ПОРИСТОГО InP МЕТОДАМИ РЕНТГЕНОВСКОЙ ДИФРАКЦИИ
471
Диэлектрическая функция пленки в этой модели задается соотношением
8 f (ш) = + ^
4 п fi ( ш Toi ) 2 2 ' (шTOi) - ю + iюуi
(6)
где f, ш,, Yi, - сила, резонансная частота и затухание i-го осциллятора.
Рентгеновские эмиссионные Ь2 3-спектры фосфора были получены на рентгеновском спек-трометре-монохроматоре РСМ-500. Вакуум в рентгеновской трубке и в объеме спектрометра ~2 • 10-6 мм рт. ст. Энергетическое разрешение 0.2 эВ. Толщина информативного слоя исследуемых образцов не превышала ~50 нм.
Спектры ближней тонкой структуры рентгеновского края поглощения (XANES - X-ray absorption near-edge structure) были получены на российско-германском канале берлинского синхротрона BESSY-II. Вакуум в экспериментальной камере ~10-9 мм рт. ст. Энергетическое разрешение 0.03 эВ. Толщина информативного слоя исследуемых образцов, лимитируемая глубиной выхода электронов ~5 нм.
Ультрамягкие рентгеновские эмиссионные спектры (УМРЭС) позволяют определить LP DOS занятых состояний в валентной зоне исследуемого материала:
......InP-пористый
— InP
50 • 103 40 • 103 30 • 103 20 • 103 10 • 103
103.6 103.8 104.0 104.2 104.4 26
Рис. 1. Дифракционная линия (600) от монокристаллической пластины 1пР (100) и образца с пористым слоем 1пР.
R, % 80
60
40
......InP-пористый
InP
I ( E )-v3 Mj 2 §( Et - Ej - h V),
(7)
20
200
300 400 500 600 Волновое число, ю-1
где Mj = |ф* Htydr - матричный элемент вероятности перехода электрона из валентной зоны с волновой функцией фу и собственным значением Ej на вакансию внутреннего уровня с волновой функцией фг-. H - оператор возмущения, hv - энергия излучаемого кванта [3].
Рентгеновские спектры вблизи края поглощения представляют собой распределение локальной парциальной плотности состояний (LP DOS), отвечающих незанятым состояниям в зоне проводимости с точностью до множителя, равного квадрату матричного элемента вероятности перехода электрона с остовного уровня в зону проводимости:
|(hV) - V3Mfi\2S(Ef - E, - hv),
f
(8)
Рис. 2. ИК-спектры отражения образца с пористым слоем 1пР и монокристаллической пластины 1пР (100).
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ИХ АНАЛИЗ И ОБСУЖДЕНИЕ
Рентгеноструктурный анализ образцов пористого 1пР(100) показал, что параметр решетки пористого слоя и монокристаллической части образ-
ца совпадают: a}
пор
где Ыр = | Н *ф$т - матричный элемент вероят-ф /
ности перехода электрона с остовного уровня с волновой функцией фг- и собственным значением энергии Е в состояния в зоне проводимости с энергией Ер и волновой функцией фр, а Н* - это оператор возмущения, - энергия кванта синхротрон-ного излучения, поглощаемого образцом [3, 4].
= амон = 5.8673 А. Однако изменение интенсивности в К^ -линии у пористого
образца в большую сторону по отношению к монокристаллу (рис. 1) свидетельствует о большей проникающей способности рентгеновского излучения в пористом слое.
Дисперсионный анализ ИК-спектров отражения от монокристаллического и пористого образцов (рис. 2), полученных в области однофононного резонанса, проведенный по одноосцилляторной модели для монокристаллического образца и по методу пленка-подложка для пористых образцов, показывает, что в спектре пористого образца помимо основной моды 1п - Р с частотой поперечных колебаний шго ~ 303 см-1 появляется дополнительная мода от пористого слоя с шго ~ 350 см-1. Этот факт может указывать на изменение расстояний между
472
ДОМАШЕВСКАЯ и др.
I, отн. ед. 1.6Г
1.2
0.8
0.4
\ пор-InP
с -InP
0
104 108 112 116 120 124 128 132
Е, эВ
Рис. 3. Рентгеновский эмиссионный Р Ь2 3-спектр пористого (рог-1п) и кристаллического (с-1пР) фосфида индия (Еу - потолок валентной зоны).
I, 103 отн. ед. 2.2
/" HF травление
HCl травление /
f HBr травление
124
130
136
142 Е, эВ
Рис. 4. Р Ь2 3-спектры ХАМЕБ для образцов пористого 1пР, полученных в растворах различных электролитов (Ес - дно зоны проводимости).
I, отн. ед.
х 10
/Л Y
/ пор-InP \
/Тонкий I
/ слой
1 1 1 1 / с -InP 1 1 1 1 ^ 1
1.25 1.30 1.35 1.40 1.45
hv, эВ
Рис. 5. Спектр фотолюминесценции пористого InP и кристаллического InP.
ионами индия и фосфора в пористом слое, а также свидетельствует об изменении формы координационных тетраэдров в сфалеритной решетке. Кроме того, как видно из рисунка, интенсивность отражения от пористого слоя меньше, чем монокристаллического.
На рис. 3 представлены ультрамягкие эмиссионные P L2, 3-спектры пористого (полученного в HCl) и кристаллического InP. В кристаллическом InP главный пик, характеризующий плотность 3^-состояний фосфора, расположен при энергии 118 эВ, полуширина его составляет ~3.4 эВ. Максимум, обусловленный гибридизацией 3^-состояний фосфора и 5^-состояний In, имеет энергию 122.5 эВ [5]. Слабая особенность, соответствующая гибридизации 3s- и 3р-состояний фосфора практически не просматривается. Слева от главного максимума расположена особенность (110-111 эВ), характеризующая гибридизацию 3^-состояний P с 4^-состояниями In [5]. Положение потолка валентной зоны оценивается в 128.8 эВ. В спектре пористого образца (рис. 3) положение главных максимумов Р3^-состояний остается таким же, как в исходном кристалле, однако остальные особенности размываются. При этом увеличивается и полуширина основного максимума для por-InP (3.9 эВ).
Таким образом, полученные УМРЭС данные показывают, что в пористом слое фосфида индия ~50 нм наблюдается заметное размытие плотности 3^-состояний по сравнению с кристаллическим InP, что указывает на значительное разупорядочение связей In-P.
На рис. 4 представлены спектры XANES образцов por-InP, полученных в растворах различных электролитов. Отметим достаточно сильное различие по форме спектров в зависимости от использованного травителя. Результаты оценки всех спектральных особенностей совместно с положением Ec приведены в таблице.
Анализ результатов, приведенных на рис. 4, и данные таблицы показывают, что вблизи края Ec наблюдаются хорошо выраженные максимумы на расстоянии около 0.9 эВ друг от друга. Величина 0.9 эВ соответствует спин дублетному расщеплению остовного Р2р-уровня (2p3/2, 2p1/2). Далее, на расстоянии около 3.5 эВ от Ec, в por-InP, наблюдаются два слабых максимума на расстоянии ~1 эВ один от другого. По-видимому, эти два максимума также отражают спин-орбитальное расщепление 2p3/2, 2p1/2. При E - Ec > 5 эВ наблюдается достаточно плавный рост поглощения со слабо выраженной структурой в области 137.5-138.5 эВ. В por-InP, полученном при использовании в качестве электролита HF, структура спектра в области энергий фотона 130-135 эВ сохраняется, но с меньшей относительной интенсивностью. При травлении в HBr эта с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.