Получение метало-полупроводниковых метаматериалов

Глава 1.

Метаматериалы.

Метаматериал – искусственный материал, физические свойства которого зависят не от конкретных атомов, из которых он состоит, а от коллективных эффектов низкоразмерных включений и их структуры.

Металло-полупроводниковые метаматериалы представляют собой комплексную среду в виде металлических включений в полупроводниковую матрицу. Матрица является оптически прозрачной для инфракрасного диапазона, в то время, как в металлических включениях в этой области возбуждаются плазмонные колебания. Как следствие, суммарный показатель преломления такой среды отличается от классического показателя преломления для полупроводника и металла.

Подобные материалы имеют несколько интересных свойств. К ним относятся ультракороткие времена жизни носителей заряда, что позволяет применять эти материалы в высокочастотных оптоэлектрических переключателях и фотодетекторах. Ниже края полосы поглощения метало-полупроводниковые метаматериалы показывают значительный фотоотклик, объясняемый внутренней фотоэмиссией в металлических включениях, благодаря которому материал может быть использован в качестве детектора дальнего инфракрасного излучения. (ссылки на нолте и чалдышева)

Получение метало-полупроводниковых метаматериалов.

Большинство низкоразмерных объектов в твердой среде может быть получено за счет самоорганизованных процессов. Самоорганизация возможна как на поверхности, так и в объеме. Металло-полупроводниковые метаматериалы получают с помощью второго метода – в объеме.

Объемная самоорганизация делится на два этапа. В первом этапе создается метастабильная среда, в которой, во втором этапе, после специальной обработки возникают самоорганизованные процессы.

В данной работе рассмотрены метаматериалы, которые представляют собой включения As в эпитаксиальную пленку GaAs, выращенную методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) при низких температурах роста (LT-GaAs).

Оптимальная температура роста идеальной пленки GaAs методом МЛЭ составляет около 600^оС. При такой температуре в пленке содержится малое количество собственных точечных дефектов. Уменьшение температуры приводит к увеличению концентрации дефектов в кристаллической решетке GaAs. Наиболее оптимальная температура для такого процесса – 150^о-200^оС и соотношение потоков As/Ga должно быть достаточно высоко. При таких условиях большое число избыточного мышьяка включаются в растущую пленку LT-GaAs, преимущественно в виде антиструктурных дефектов As_Ga.

Определение концентрации избыточного мышьяка в LT-GaAs наиболее просто произвести двумя методами – оценкой поглощения ближнего инфракрасного диапазона и измерениями дифракции рентгеновских лучей. В первом методе оценка концентрации избыточного мышьяка производится за счет известной калибровки Мартина ссылка на мартина. Вторая методика позволила определить ссылка на лю, что антиструктурные дефекты As_Ga обладают тетраэдрической длиной связи As-As большей чем 2.65 Ǻ (длина связи As-Ga составляет в GaAs 2.45 Ǻ).

Включения избыточного мышьяка при низко-температурной эпитаксии зависят от легирования. Легирование донором (Si) или акцептором (Be) снижает концентрацию антиструктурных дефектов. Однако, легирование изовалентной примесью In повышает концентрацию избыточного мышьяка и улучшает качество кристаллической решетки в пленках LT-GaAs.

GaAs/AlAs, GaAs/InAs, GaAs/GaSb, InGaAs/InAlAs и связанные с ними гетеростукруры успешно растут при низко-температурной молекулярно-лучевой эпитаксии. На рисунке номер рисунка показана просвечивающая электронная микроскопия суперрешетки GaAs/InAs с периодом 30 нм и δ-слои InAs толщиной в один монослой.

Количество включений избыточного мышьяка в пленках LT-GaAs, выращенных низко-температурной молекулярно-лучевой эпитаксией находится далеко за пределами области однородности материала. Эти метастабильные состояния находятся замороженными при температуре роста из-за низкой диффузии всех собственных точечных дефектов. Послеростовой отжиг необходим, чтобы придать подвижность мышьяковым включениям и обеспечить фазовую трансформацию и самоорганизацию наноразмерных включений мышьяка. Контроль процесса обеспечивают наблюдения за уменьшением поглощения, вызванным As_Ga-дефектами, а так же за изменением размеров решетки. Из-за огромного перенасыщения барьер для зарождения включений избыточного мышьяка низок, и большое количество мышьяковых кластеров появляются в матрице LT-GaAs уже при температуре отжига в 500^о и выше (рисунок). Полосы, которые видны на просвечивающей электронной микроскопии на кластерах мышьяка (рисунок), показывают, что эти наноразмерные включения обладают их собственной кристаллической микроструктурой. Эта структура на данный момент хорошо описана и обозначается как гексагональная. Несмотря на то, что структуры кластеров и решетки GaAs различны, они встраиваются в матрицу без дополнительных деформаций и дефектов. Параметр решетки в отожженной пленке LT-GaAs близок стехиометрическому материалу.

Размеры включений повышаются при большей температуре отжига и его продолжительности. Этот процесс ограничен диффузией мышьяка внутри объема пленки. Диффузия точечных дефектов позволяет так же перемешивать их с гетеро-интерфейсами. Это свойство позволяет создавать устройства для прикладных целей.

Изучение перемешивания In-Ga и As-Sb основано на наблюдении в просвечивающей электронной микроскопии видимой толщины их δ-InAs или δ-GaSb включений в пленку LT-GaAs, отожженную при разных температурах. В обеих подрешетках композитное перемешивание оказывается больше. Активационная энергия In-Ga и Sb-As позволяет увеличивать скорость процесса перемешивания в LT-GaAs. В итоге, кластеры, образованные за счет избыточного мышьяка, собираются на этих δ-слоях. (ссылка на чалдышева).