Te이 첨가된 GaAs0.61P0.39에서의 무질서와 포논-플라즈몬의 상호작용

Abstract

반도체는 현대 생활에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있고 앞으로도 더욱 광범위하게 쓰일 것이다. 반도체는 첨가물에 따라 전기적 성질이 크게 바뀌며 이에 대한 연구는 오래 전부터 계속 되어왔다. 이 실험에서는 라만 분광을 이용하여 섬아연광(zencblende) 구조를 하고 있는 GaAs_0.61 P_0.39에서 나타날 수 없는 TO 포논(phonon) 모드(mode)가 나타나는 것을 보았다. 이 TO 포논 모드는 Te을 첨가하여 불순물 이온의 양을 증가시킴에 따라 더 강해지는데, 이를 통하여 무질서(disorder)가 커지는 것을 알았다. 또한 Te 불순물의 첨가에 의한 전자농도의 증가에 따라 LO 포논 모드가 크게 감소하고, 동시에 높은 주파수 영역(400 cm^-1)에 새로운 모드의 봉우리(peak)가 생겼다. 이 봉우리는 전자의 양이 증가함에 따라 더 높은 진동수 영역으로 옮겨가며 반치폭또한 넓어졌다. 이것을 통해 포논-플라즈몬이 상호작용 하여 새로운 결합모드를 만드는 것임을 짐작 할 수 있다. 더 나아가 IR 분광 이용하여 플라즈마 진동수를 알아내고, 일반적인 반도체에서의 결과와 유사하게 전자질량의 상대적인 유효질량의 크기 (m^*/m_e)가 증가하는 것을 보았다. 이는 Te^+ 이온에 의한 전자의 산란률이 커짐으로 해석되며 라만 측정에서 플라즈몬과 결합된 모드의 반치폭이 넓어지는 현상과 일치한다. 전자의 유효질량이 증가하더라도 전자의 양이 많아짐에 따라 증가하는 자유 운반자에 의해 전도도가 커지는 것을 관찰하였다.;Semiconductors have played major role in modern life, and would continue their role in the future. The electrical and electronical properties of semiconductors change drastically upon doping with impurities. Therefore, many studies have focused on the changes of transport properties of semiconductors upon doping with impurities. In our Raman spectroscopic study of GaAs_0.61 P_0.39, we observed the disorder-induced TO phonon mode which is forbidden in the zincblende structure. We found out that the disordering becomes stronger as the Te-doping level increases. The intensity of the LO phonon mode is reduced due to increased electron concentration by the Te-doping. At the same time, a new peak arises at higher frequency (400cm^-1). This peak moves to even higher frequencies and becomes broader as the Te-doping level increases. This suggests that the new mode is a coupled mode of phonon and plasmon due to phonon-plasmon interaction. In addition, we directly measured the plasma frequencies in our IR measurements and found that the relative effective mass (m^*/m_e) increases as the Te-doping level increases. It is consistent with the Raman results, which show that the phonon mode couples with plasmon broadens as the doping level increases. This is interpreted as the increases of the scattering rate of electron due to the added Te^+ ions. Despite the increase of the relative effective mass, the optical conductivity measured by the IR spectroscopy is observed to increase due to the increase of the carrier concentration.