journal-opt - abstr273-281

https://doi.org/10.15407/jopt.2018.53.273

Optoelectron. Semicond. Tech. 53, 273-281 (2018)

I. E. Matyash, I. A. Minaіlova, O. N. Mishchuk, B. K. Serdega

COMPONENT ANALYSIS OF PHONON SPECTRA DYCHROIDISM IN UNIAXIALLY DEFORMED SILICON CRYSTAL

The effect of linear dichroism induced by uniaxial compression has been researched in semiconductor silicon by using the method for polarization modulation of electromagnetic radiation. The use of the modulation polarimetry technique provides detectivity relative to the magnitude of anisotropy Δn/n≈10-6. This fact allows us to register insignificant deviations of physical parameters from equilibrium. The spectral characteristics of the polarization difference of the transmission coefficients ΔТ = Т⊥ – Т|| were obtained within the range of light absorption near the fundamental edge. The characteristic ΔТ(ω) is a derivative of the transmission spectrum, from which the spectrum of the absorption coefficient of radiation based on the Bouguer-Lambert law is determined. There are no errors in the characteristic obtained by the method of modulation polarimetry, in contrast to the mathematical differentiation of experimental results. The characteristics of the physical derivative demonstrate a fine structure with attributes of various spectral components due to this advantage. Decomposition of the spectra into Gaussian components was performed on the basis of these features, and the types of phonons as well as their frequencies were determined. One of them is related to the sample thickness by the spectrum shift, while the other three extremes are fixed relatively to the energy of the forbidden band. The conclusion about the origin of detected components of dichroism, being based on the references and fact of a lightly doped crystal has been made. The presence of dichroism components is caused by the manifestation of acoustic phonons participating in indirect interband transitions with quantum energies both lower and higher than the energy of the forbidden band. The paper shows that the effect of linear dichroism in combination with the modulation polarimetry method can be a good diagnostic technique for semiconductor crystals and devices. This will allow one to test the features of the band spectrum, the presence of inhomogeneities of crystals and related internal mechanical stresses.

Keywords: polarization, anisotropy, dichroism, modulation polarimetry, silicon, phonon, Gaussian function.

PDF

References

1. Marenko V.V., Savenkov S.N. Obshaya klassifikaciya polyarizacionnyh sistem na osnove ih anizotropnyh svojstv. Optika i spektroskopiya. 1995. 78, №4. S. 682-684. (in Russian)

2. Landsberg G.S. Optika. M.: GITTL, 1957. (in Russian)

3. Ahmanov S.A., Nikitin S.Yu. Fizicheskaya opika. M.: Nauka. 2004. (in Russian)

4. Born M., Wolf E. Principles of Optics. Cambridge University Press, Cambridge, 1999.

5. Goldstein D.H. Polarized Light. Taylor and Francis Group, LLC, 2011.

6. Serdega B.K. Modulyacijna polyarimetriya. Kiyiv: Naukova dumka. 2011. (in Ukrainian)

7. Kardona M. Modulyacionnaya spektroskopiya M.: Mir, 1972. (in Russian)

8. Serdega B.K., Venger Ye.F., Nikitenko Ye.V. Thermoelasticity in Ge due to nonuniform distribution of doping impurity studied by light polarization modulation technique. Semic.Phys., Quant.El. & Optoel. 1999. 2, №1. Р.153-156.

https://doi.org/10.15407/spqeo2.01.153

9. Venger E.F., Matyash I.E., Serdega B.K. Issledovanie navedennogo odnoosnoj deformaciej linejnogo dihroizma v kristallah kremniya. FTP. 2003. 37. №10. S.1188-1192. (in Russian)

https://doi.org/10.1134/1.1619510

10. Jasperson S.N., Schnatterly S.E. An improved method for high reflectivity ellipsometry based on a new polarization modulation technique. Rev Sci Instrum. 1969. 40, №6. P. 761-767.

https://doi.org/10.1063/1.1684062

11. Macferlane G.G., McLean T.P., Quarington J.E., Roberts V. Fine structure in the absorption-edge spectrum of Si. Phis.Rev. 1958. 111, №5. Р.1245-1254.

https://doi.org/10.1103/PhysRev.111.1245

12. Vasko F.T., Striha M.V. Mezhduzonnye IK perehody v odnoosno deformiruemom uzkoshelevom poluprovodnike. FTP. 1990. 24, №7. S.1227-1233. (in Russian)

13. Dash W.C., Newman F. Phys. Rev. 1955. 99. Р.1151.

https://doi.org/10.1103/PhysRev.99.1151

14. Frova A., Handler P., Germano F.A., Aspnes D.E. Electro-absorption effects at the band edges of silicon and germanium. Phys.Rev. 1966. 145, №2. Р.575.

https://doi.org/10.1103/PhysRev.145.575

15. Jonson F.A. Lattice absorption bands in silicon. Proc.Phys.Soc. 73(470). Р.265-272.

https://doi.org/10.1088/0370-1328/73/2/315

16. Jonson F.A. Proc.Phys.Soc. 1959. 73. Р.181.

17. Ginzburg V.L. Ob elektromagnitnyh volnah v izotropnyh i kristallicheskih sredah pri uchete prostranstvennoj dispersii dielektricheskoj pronicaemosti. ZhETF. 1958. 34. №6. S.1593-1604. (in Russian)

18. R. de L. Kronig, On the theory of the dispersion of X-rays. J. Opt. Soc. Am. 1926. 12.

https://doi.org/10.1364/JOSA.12.000547

19. Kramers H.A. La diffusion de la lumiere par les atomes. Atti Cong. Intern. Fisica. 1927.2.

І.Є. Матяш, І.А. Мінайлова, О.М. Міщук, Б.К. Сердега

КОМПОНЕНТНИЙ АНАЛІЗ СПЕКТРІВ ФОНОННОГО ДИХРОЇЗМУ В ОДНОВІСНО ДЕФОРМОВАНОМУ КРИСТАЛІ КРЕМНІЮ

Методом модуляції поляризації електромагнітного випромінювання досліджено в зразках напівпровідникового кремнію ефект лінійного дихроїзму, індукований одновісною деформацією стиснення. Використання техніки модуляційної поляриметрії забезпечує. виявну здатність відносно величини анізотропії на рівні Δn/n≈10-6, що дозволяє реєструвати незначні відхилення фізичних параметрів від рівноваги. Отримано спектральну характеристику поляризаційної різниці коефіцієнтів пропускання ΔТ = Т⊥ – Т|| в діапазоні крайового поглинання світла. Показано, що характеристика ΔТ(ω) по суті є похідною спектра пропускання, із якої на основі закону Бугера-Ламберта визначено спектр коефіцієнту поглинання випромінювання. Отримана фізичним шляхом, як результат модуляційної поляриметрії, характеристика ΔТ(ω) позбавлена тих завад, що є наслідком процедури математичного диференціювання експериментальних результатів. Тому завдяки цій перевазі характеристики фізичної похідної демонструють тонку структуру з ознаками різних спектральних компонент. На підставі цих ознак проведено розкладання спектрів ΔТ(ω) на компоненти Гауса, з якого визначено типи фононів та їх частоти. Показано, що одна їз них зміщенням по спектру пов’язана з товщиною зразка, а інші три екстремумами фіксовані відносно енергії забороненої зони. На підставі літературних свідчень та факту слабо легованого кристалу зроблено висновок про походження виявлених компонент дихроїзму. Їх наявність обумовлена проявом акустичних фононів, що беруть участь в непрямих міжзонних переходах з енергіями квантів як менше, так і більше енергії забороненої зони. Показано, що крім можливості тестування особливостей зонного спектру ефект лінійного дихроїзму в сукупності з використаною методикою може стати підставою для діагностики напівпровідникових кристалів і приладів на предмет наявності в них неоднорідностей і пов'язаних з ними внутрішніх механічних напружень.

Ключові слова: поляризація, анізотропія, дихроїзм, модуляційна поляриметрія, кремній, фонон, функція Гауса.

Back / Повернутися