Реферат: Оптические свойства полупроводниковых пленок в видимой и ИК частях спектра
Полупроводниковые соединения, состоящие из атомов различного типа, можно рассматривать как набор электрических диполей. Эти диполи могут поглощать энергию электромагнитного поля; наиболее сильное взаимодействие с излучением имеет место, если частота излучения равна частоте колебаний диполя. Это происходит в далекой инфракрасной области спектра. Обычно колебания являются сложными, включающими несколько типов нормальных колебаний (эмиссия многих фононов). Импульс фотона h/l пренебрежимо мал, тогда как фононы могут обладать квазиимпульсом вплоть до величины h/а (а — постоянная решетки).
Поэтому для выполнения закона сохранения квазиимпульса должны быть испущены два или более фононов. В полупроводниках имеются две поперечные оптические (ТО) ветви колебаний, две поперечные акустические (ТА), одна продольная оптическая (LO) и одна продольная акустическая (LA). Иногда две поперечные ветви колебаний обладают сходными кривыми дисперсии Ер (k). Далее, некоторые комбинации фононов запрещены согласно правилам отбора. Тем не менее число возможных комбинаций всех этих типов колебаний чрезвычайно велико, и именно это обусловливает сложность обычно наблюдаемой структуры. На рисунке 4.1 показана часть спектра поглощения GaAsn-типа, связанного с колебаниями решетки [2].
В гомеополярных полупроводниках нет диполей. Однако спектры решеточного поглощения наблюдаются. Очевидно, имеет место процесс второго порядка: излучение индуцирует диполь, который сильно взаимодействует с излучением, и в результате возникают фононы. На рисунке 4.2 показан для примера спектр решеточного поглощения гомеополярного полупроводника Si, соответствующая идентификация фононов приведена в таблице 4.1. Для объяснения поглощения в области больших энергий привлекались процессы еще более высокого порядка, соответствующие одновременному испусканию четырех фононов [2].
Интересно отметить, что введение в гомеополярный полупроводник дефектов (например, путем облучения нейтронами) создает локальные поля, которые делают возможными однофононные переходы (в нормальных условиях запрещенные).
Рисунок 4.1. Спектр поглощения, связанного с колебаниями решетки, высокоомного GaAsn-типа в области энергий 0,04 — 0,07 эВ (нижняя шкала) при 20, 77 и 293 К.
Таблица 4.1. Фононы, участвующие в поглощении в кремнии
| Волновое число, мм-1 | Энергия пика, эВ | Тип фононов * |
| 144,8 | 0,1795 | 3TO |
| 137,8 | 0,1708 | 2TO + LO |
| 130,2 | 0,1614 | 2TO + LO |
| 2TO + LA | ||
| 96,4 | 0,1195 | 2ТО |
| 89,6 | 0,1111 | TO + LO |
| 81,9 | 0,1015 | TO + LA |
| 74,0 | 0,0917 | LO + LA |
| 68,9 | 0,0756 | ТО + ТА |
| 61,0 | 0,0702 | LO + TA |
* ТО = 0, 0598 эВ, LO = 0 0513 эВ, LA = 0, 0414 эВ, ТА = 0, 0158 эВ.
Рисунок 4.2. Решеточное поглощение в Si, выращенном в вакууме.
Кривая 1 — 365 К, кривая 2 — 290 К, кривая 3 — 77 К, кривая 4 — 20 К.
5. Методы определения коэффициента поглощения
Методы определения коэффициента поглощения можно разделить на несколько типов:
1. Измерение коэффициента отражения и/или коэффициента отражения.
· Если пленка не прозрачна (Т = 0), то выполняется равенство:
(5.1)
Следовательно, по данным измерений спектральной зависимости коэффициента отражения рассчитывается спектральная зависимость коэффициента поглощения [3].
· Если пленка прозрачна, то равенство (5.1) преобразится в:
(5.2)
Таким образом из (5.2) следует, что по данным измерений спектральной зависимости коэффициентов отражения и пропускания можно рассчитать спектральную зависимость коэффициента поглощения.
2. Расчеты по известным оптическим константам.
Оптические свойства веществ характеризуют, указывавшимся выше, комплексным показателем преломления. Зная его, можно вычислить коэффициент отражения любого материала. Один из методов рассчета описан Борном и Вольфом в [4].
3. Прямые методы измерения коэффициента поглощения.
Например метод Табора и Стейнбергера [3]. На одной стороне образца находится исследуемая поверхность, а другая покрыта слоем с известным коэффициентом поглощения (например черной краской). Стороны попеременно подвергаются циклам облучения. Очевидно, что если подобрать подходящий температурный цикл, то тепловые потери скомпенсируются и можно будет определить отношение известного коэффициента поглощения к неизвестному.
6. Пример расчета спектральной зависимости коэффициента поглощения селективно поглощающего покрытия в видимой и ИК части спектра
Более полные теоретические выкладки с пояснениями вы можете найти в [4].
Зададим толщину мультипленки и количество пленок входящих в ее состав:
Определим комплексный показатель преломления (в мультипленке две пленки - q):