title: Nichtlineare optische Spektroskopie an der Galliumphosphid-Silizium(001)-Grenzfläche
title: Nonlinear Optical Spectroscopy at the Gallium Phosphide/Silicon(001) Interface
Creators: name: Brixius, Kristina
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: Spektroskopie
Kohärente Phononen Spektroskopie
Galliumphosphid
Frequenzverdopplung
zeitaufgelöste Spektroskopie
Grenzfläche
Physik
time-resolved spectroscopy
Silizium
Nichtlineare Optik
Pump-Probe-SHG
Coherent Phonon Spectroscopy

description: In this thesis the interface
      between Gallium Phosphide (GaP) and Silicon (Si), a polar and
      a nonpolar indirect semiconductor, respectively, has been
      investigated by means of nonlinear optical spectroscopy.
      Within the experimental techniques optical second harmonic
      generation from the interface was most prominent. It has been
      demonstrated that the second harmonic signal originating from
      the heterostructure is being dominated by a strong interface
      contribution which is absent for the pure GaP and Si wafers.
      The rotational anisotropy depends both on the quality of the
      interface and the properties of the GaP layer. A correlation
      with transmission electron microscopy (TEM) data allows for
      direct demonstration of the sensitivity of this technique on
      twins, Ga-droplets, and anti-phase domains. Analysis of the
      rotational anisotropy data as a function of layer thickness
      results in an oscillating signal which is due to phase
      matching effects within the GaP bulk. On the other hand, the
      interface contribution decays exponentially, which is
      attributed to the absorption within the GaP bulk. The reason
      for the strong interface contribution has been discussed:
      generally an electric field leads to a symmetry break within
      bulk layers, this leads to an additional contribution to the
      second harmonic light, the so called electric field induced
      second-harmonic (EFISH). An electric field due to the band
      alignment within the interface appears to be a good
      explanation for this additional contribution. Within a
      conventional pump-/probe setup the optical second harmonic
      generation was used in order to investigate transient
      phenomena at the interface. Again the results for the
      heterostructure differ remarkably from the single crystals.
      The second harmonic intensity increases considerably, about
      several hundreds of percent, as a function of delay. The
      increase is followed by a complex decay of the signal. A rate
      equation model was used in order to quantitatively analyse
      the dependence of the transients on the pump intensity, on
      the character of the interface and on the polarization of the
      pump pulse. First temperature dependent measurements have
      been executed and contributed to the interpretation in a
      qualitative way. In addition it has been demonstrated
      impressively that the interface specific transient SH-signal
      could even be detected for a 65nm thick film of GaP on Si.
      The results could be interpreted by means of a charge
      transfer between the Si substrate and the GaP film. In this
      case the primary contribution to the SH-signal could be a
      transient EFISH signal. In particular the linear dependence
      of selected components of the signal on the pump intensity
      points to the build-up of an electric field. The formation of
      an interface state, which allows the direct excitation into
      the conduction band, is very probable. Still, spectroscopic
      information is needed in order to confirm this hypothesis.
      Coherent phonon spectroscopy at the GaP/Si hetero interface
      provides unexpected results as well. The resonant excitation
      with 400nm brought up a totally new sharp oscillation
      frequency at 11THz, which was absent for both the oxidized
      GaP wafer and Si/SiO_2 interface. The frequency of that mode
      does not show any variation within the pump intensity, but
      varies sinusoidally with the polarization of the pump pulse.
      The result suggests that the underlying generation mechanism
      is dominated by resonant impulsive stimulated Raman
      scattering. Basically, two options have been discussed for
      the origin of the sharp interface specific mode: firstly, a
      frequency conversion from a longitudinal optical mode to a
      transversal optical mode and secondly, a totally screened
      longitudinal optical oscillation. Both approaches need the
      geometrical form of the anti-phase-domains which have been
      found in TEM measurements. Choosing special growth conditions
      within metalorganic vapour phase epitaxy forces the domain
      boundaries, which are formed by homopolar bonds, to tilt on
      {111}-planes. On the one hand, the modified bonds can give
      rise to oscillating components normal to the interface, in
      this way a transversal oscillation would be formed. On the
      other hand, these homopolar bonds are also known to form in
      between two phosphorus atoms. On average such a wrong bond
      leads to an additional quarter electron. The number of wrong
      bonds has been quantified in an easy model based on the TEM
      measurements. It is possible to generate high electron
      densities, which can be localized especially at the interface
      depending on the size of the anti-phase. The presence of such
      a high electron density would lead to a complete screening of
      the polar character of the crystal. The frequency of the
      longitudinal oscillation would shift towards the frequency of
      the transversal mode. The results of this thesis confirm that
      optical second harmonic generation is a powerful tool in
      order to investigate single semiconductor hetero interfaces
      non invasively. The benefit of this method lies in its
      sensitivity to symmetry breaks, amongst others it can be used
      as a probe for electric fields. Moreover time resolved
      measurements enable the investigation of transient phenomena
      at the internal interface. Though coherent phonon
      spectroscopy has not been known for a special interface
      sensitivity, it could be demonstrated impressively that
      within the GaP/Si model system the detection of an interface
      specific mode is possible. It is highly recommended to
      combine both methods in order to gain further information
      about the GaP/Si interface and even other semiconductor
      hetero interfaces in general. The manipulation of the
      interface properties within in the epitaxial growth offers a
      multitude of further experiments in order to gain a higher
      level of understanding of this hetero interface. At the same
      time structural analysis within the TEM serves as an
      excellent complementary method for the nonlinear optical
      spectroscopies.
description: In dieser Arbeit wurde die
      Grenzfläche zwischen Galliumphosphid (GaP) und Silizium(001)
      (Si), einem polaren, respektive nicht polaren indirekten
      Halbleiter, mittels nichtlinearer optischer Spektroskopie
      untersucht. Dabei stand die optische Frequenzverdopplung an
      der Grenzfläche im Vordergrund. Es konnte gezeigt werden,
      dass das Signal der Heterostruktur von einem
      Grenzflächenbeitrag dominiert wird, der bei den beiden
      Festkörpern nicht messbar ist. Die Rotationsanisotropie hängt
      zudem sowohl von der Beschaffenheit der Grenzfläche, als auch
      den Eigenschaften der GaP-Schicht ab. Durch die Korrelation
      mit Messungen aus der Transmissionselektronenmikroskopie
      (engl.: transmission electron microscopy, TEM) konnte die
      Sensitivität des SH-Signals auf Defekte wie Zwillinge,
      Galliumtropfen und Antiphasengrenzen demonstriert werden.
      Durch Analyse der Rotationsanisotropie als Funktion der
      Schichtdicke kann eine Oszillation des Festkörperbeitrags auf
      Interferenzeffekte durch Phasenanpassung zurückgeführt
      werden. Das Grenzflächensignal nimmt hingegen exponentiell
      mit der Dicke der GaP-Schicht ab, was auf Absorption der
      zweiten Harmonischen in GaP schließen lässt. Die Ursache des
      Grenzflächenbeitrags wurde diskutiert: im Allgemeinen führt
      ein elektrisches Feld zu einem Symmetriebruch in
      grenzflächennahen Festkörperschichten, und damit zu einem
      zusätzlichen Beitrag zur zweiten Harmonischen, dem
      sogenannten EFISH-Beitrag (engl.: electric field induced
      second-harmonic). Es zeigt sich, dass ein elektrisches Feld
      aufgrund der Bandverbiegung an der Grenzfläche der
      Heterostruktur die experimentellen Ergebnisse in einem guten
      Maß erklären kann. In einem Anrege-/Abfrageaufbau wurde die
      optische Frequenzverdopplung verwendet, um transiente
      Phänomene an der Grenzfläche zu untersuchen. Erneut grenzen
      sich die Ergebnisse der Heterostruktur deutlich von denen der
      einzelnen Festkörper ab. Die Intensität der zweiten
      Harmonischen steigt als Funktion der Verzögerung um mehrere
      Hundert Prozent an, und folgt dann einem komplexen
      Zerfallsmechanismus. Der systematische Zusammenhang zwischen
      den Transienten und der Anregeintensität, der
      Grenzflächenbeschaffenheit sowie der Polarisation des
      Anregepulses wurde mittels eines Ratengleichungsmodells
      quantitativ analysiert. Es wurden erste temperaturabhängige
      Messungen durchgeführt, die rein qualitativ zur
      Interpretation beitragen. Darüber hinaus konnte eindrucksvoll
      gezeigt werden, dass das grenzflächenspezifische, transiente
      Signal selbst bei 65nm dicken GaP-Schichten gemessen werden
      kann. Die Ergebnisse deuten auf einen Ladungstransfer
      zwischen dem Si-Substrat und GaP-Schicht hin. Der
      Hauptbeitrag zum zeitabhängigen SH-Signal könnte dann ein
      transientes EFISH-Signal sein. Insbesondere der lineare
      Zusammenhang zwischen ausgewählten Komponenten des Signals
      und der eingestrahlten Intensität deutet auf den Aufbau eines
      Feldes hin. Es wurde ein Modell für eine elektronische
      Anregung konzipiert. Die Anwesenheit eines
      Grenzflächenzustands, der einen direkten elektronischen
      Übergang ins Leitungsband ermöglicht, gilt als
      wahrscheinlich. Eine nähere spektroskopische Analyse ist
      jedoch erforderlich. Untersuchungen der GaP/Si-Heterostruktur
      mittels kohärenter Phononenspektroskopie lieferten ebenfalls
      markante Ergebnisse. Die resonante Anregung bei 400nm brachte
      eine neue scharfe Mode bei 11THz hervor, welche weder bei
      Messungen des oxidierten GaP-Wafers, noch bei Messungen an
      der Si/SiO2-Grenzfläche entsteht. Die Frequenz der Mode zeigt
      keine Änderung mit der Anregintensität und die Amplitude
      variiert sinusartig bei der Änderung der Polarisation des
      anregenden Laserimpulses. Diese Ergebnisse deuten darauf hin,
      dass der Generationsmechanismus von der stimulierten
      Ramanstreuung dominiert wird. Es wurden im Wesentlichen zwei
      Möglichkeiten für die grenzflächenspezifische Mode dargelegt:
      Eine Frequenzkonversion der longitudinalen Schwingung in eine
      transversal optische Schwingung und eine vollständig
      abgeschirmte longitudinal optische Schwingung. Beide Ansätze
      benötigen für die Argumentation die durch TEM-Messungen
      gefundene geometrische Form der Antiphasengrenzen. Bei
      ausgewählten Wachstumsmodi knicken diese auf {111}-Ebenen ab
      und es kommt zur Ausbildung homopolarer Bindungen. Die
      veränderten Bindungslängen könnten zu Schwingungskomponenten
      senkrecht zur Grenzfläche führen, eine transversale
      Schwingung könnte die Folge sein. Andererseits sind die
      homopolaren Bindungen vorzugsweise aus
      Phosphor-Phosphor-Bindungen zusammengesetzt. Diese halten im
      Mittel ein Viertel Elektron bereit. Die Anzahl der falschen
      Bindungen wurde in einem einfachen Modell auf Grundlage von
      TEM-Messungen quantifiziert. Es können große
      Elektronendichten entstehen, die je nach Größe der Antiphase
      sehr lokalisiert an der Grenzfläche vorliegen. Unter
      Anwesenheit solch großer Elektronendichten verliert der
      Kristall aufgrund der vollständigen Abschirmung seinen
      polaren Charakter. Die longitudinale Schwingung würde die
      Frequenz der transversalen Schwingung annehmen. Die
      Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen, dass die optische
      Frequenzverdopplung eine ausgesprochen leistungsfähige
      nichtinvasive Methode zur Untersuchung von einzelnen
      Halbleitergrenzflächen ist. Die hohe Sensitivität auf
      Symmetriebrüche ist dabei insbesondere die Stärke dieser
      Methode; sie kann verwendet werden, um beispielsweise
      elektrische Felder zu detektieren. Außerdem ermöglichen
      zeitaufgelöste Messungen den Zugang zu transienten Phänomenen
      an der inneren Grenzfläche. Obwohl die kohärente
      Phononenspektroskopie prinzipiell nicht als
      grenzflächensensitive Methode bekannt ist, konnte
      eindrucksvoll demonstriert werden, dass für das System GaP/Si
      die Detektion einer grenzflächenspezifischen Mode möglich
      ist. Eine Kombination der beiden Methoden sollte unbedingt
      verwendet werden, um weitere Erkenntnisse über das
      Modellsystem GaP/Si und darüber hinaus über
      Halbleitergrenzflächen im Allgemeinen zu gewinnen. Die
      Beschaffenheit der Grenzfläche kann durch das epitaktische
      Wachstum bei tiefen Temperaturen weitreichend manipuliert
      werden, daraus ergeben sich eine Vielzahl weiterführender
      Experimente, um das Verständnis dieser inneren Grenzfläche zu
      schärfen. Dabei ergänzen sich die strukturellen Methoden wie
      die Transmissionselektronenmikroskopie und nichtlineare
      optische Spektroskopie hervorragend.