Введение к работе
„.,...
Актуальность темы. Широкозонные полупроводниковые соединения группы А2В6 - ZnSe, ZnTe обладают уникальными фотоэлектрическими и люминесцентными свойствами и представляют интерес для оптоэлектроники.
В настоящее время уделяется значительное внимание изучению электрофизических свойств пленок ZnSe и ZnTe, выращенных на инородных подложках методом эпитаксии из молекулярных пучков. В литературе приводятся данные для большого количества глубоких уровней, наблюдаемых в гетеро-эпитаксиальных пленках ZnSe и ZnTe. Однако до сих пор данные о природе глубоких центров в пленках ZnSe и ZnTe несистематизированы и практически не установлена взаимосвязь между электрофизическими свойствами пленок ZnSe и ZnTe и технологическими режимами эпитаксиального роста пленок. Поэтому изучение электрофизических свойств гетероэпитаксиальных пленок соединений А2В6, выращенных при различных условиях роста, является весьма актуальной задачей.
В связи с интенсивным развитием полупроводниковой микро- и нано-электроники значительное внимание уделяется изучению оптическігх и электрических свойств квантово-размерных структур ZnSe/ZnCdSe и ZnTe/ZnCdTe. Как правило, квантово-размерные структуры создаются на основе резких гетеропереходов. Величины разрывов энергетических зон в гетеропереходах и квантово-размерных структурах относятся к важнейшим фундаментальным свойствам данных структур. Для структур на основе ZnSe/ZnCdSe и ZnTe/ZnCdTe относительные разрывы зон определены не достаточно надежно.
В настоящее время существует ряд теоретических моделей для определения разрывов энергетических зон в гетеропереходах, от модели Андерсона для идеального гетероперехода до более сложных моделей, таких как теория атомных орбиталей Харрисона, теория самосогласованного пограничного потенциала и др. Однако при практическом применении теоретические расчеты дают большой разброс результатов из-за имеющейся свободы в выборе используемых при расчете параметров структур. Кроме того, особенности получения конкретных образцов также могут приводить к колебаниям величин разрывов энергетических зон.
Как правило, для исследования энергетических зон соединений А2В6 применяют оптические методы контроля. Согласно [1], наиболее надежными считаются данные, полученные в экспериментах по фотоэлектронной спектроскопии в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра на очень тонких
4 гетеропереходах при условии, что технология изготовления самих переходов очень высока. Определение параметров разрыва зон в гетеропереходах, в том числе и в квантово-размерных структурах возможно только в случае исследования перечисленными методами специально приготовленных образцов [1]. В настоящее время количество объектов с квантовыми ямами, представляющих интерес для наноэлектроники и оптоэлектроники, очень велико. В этих условиях представляется актуальным разработка метода экспериментального определения разрывов энергетических зон конкретных типов структур и сопоставление экспериментальных результатов с предсказаниями различных теоретических моделей.
Изучение особенностей зонной диаграммы в квантово-размерных структурах на основе ZnSe/ZnCdSe и ZnTe/ZnCdTe позволит прояснить сложившуюся ситуацию с неопределенностью величин относительных разрывов (параметров разрывов) энергетических зон.
Целью настоящей работы являлось: определение влияния технологических режимов молекулярно-пучковой эпитаксии на энергетический спектр дефектов с глубокими уровнями (ГУ) в пленках ZnSe, выращенных на подложках GaAs(lOO), и разработка методики определения параметров разрыва зон в квантово-размерных структурах на основе полупроводников А2В6, содержащих одиночную и множественные квантовые ямы (КЯ) различной конфигурации.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-
Исследование электрофизических свойств (концентрации основных носителей заряда, подвижности, параметров дефектов с глубокими уровнями) пленок ZnSe различной толщины, выращенных на подложках GaAs(lOO) при различных скоростях роста и типах реконструкции поверхности.
-
Разработка методики определения разрывов зон в квантово-размерных структурах.
-
Исследование влияния параметров квантово-размерных структур на основе ZnSe/ZnCdSe и ZnTe/ZnCdTe (ширины КЯ и барьерных слоев, концентрации Cd) на величины разрывов зон.
Основными объектами исследования были выбраны нелегированные эпитаксиальные пленки ZnSe, а также квантово-размерные структуры с одиночной КЯ и структуры, представляющие собой набор туннеЛьно-связанных и несвязанных КЯ на основе ZnSe/ZnCdSen ZnTeVZriCdTe; выра-
5 щенные на подложках GaAs(lOO) методом молекулярно-пучковой эпитаксии.
Научная новизна представленных в работе результатов заключается в следующем:
-
Проведены исследования глубоких центров в пленках ZnSe, позволившие обнаружить зависимость энергетического спектра глубоких центров от типа реконструкции поверхности и скорости роста пленок ZnSe.
-
Впервые параметр разрыва зоны проводимости в квантово-размерных структурах на основе ZnSe/ZnCdSe и ZnTe/ZnCdTe, имеющих конфигурацию зонной диаграммы первого типа, определен в результате совместного использования экспериментальных данных, полученных методами релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ) и катодолюминесценции (КЛ).
-
Развита теоретическая модель Андерсона для определения разрывов зон с учетом внутренних механических напряжений в квантовых ямах и барьерных слоях в квантово-размерных структурах с одиночной и множественными квантовыми ямами на основе гетеропереходов ZnSe/ZnCdSe и ZnTe/ZnCdTe.
-
Обнаружена зависимость параметра разрыва зоны проводимости в структурах с одиночной и множественными квантовыми ямами на основе ZnSe/ZnCdSe и ZnTe/ZnCdTe от конфигурации квантово-размерной части структуры.
Достоверность научных выводов работы обеспечена использованием комплекса независимых методов: 1) метода вольт-фарадных характеристик; 2) метода вольт-амперных характеристик; 3) метода эффекта Холла; 3) релаксационной спектроскопии глубоких уровней; 4) катодолюминесценции, а также соответствием экспериментальных величин относительного разрыва'зоны проводимости и рассчитанных теоретически значений.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
I. При изменении отношения эквивалентных давлений молекулярных пучков селена и цинка на ±25% относительно значения Pse'Pzn= 2:1 или скорости роста слоев ZnSe от 0,6 до 2 мкм/ч на подложках GaAs(lOO) имеет место перестройка энергетического спектра дефектов с глубокими уровнями. При переходе от условий обогащения поверхности ZnSe атомами Zn к условиям обогащения поверхности атомами Se снижается концентрация ГУ с энергией активации 0,36±0,02 эВ, вместо ГУ с энергией активации 0,84±0,03 эВ появляется ГУ с энергией активации 0,72+0,03 эВ. ГУ с энергией активации 0,56±
0,02 эВ возникает при форсировании скорости роста эпитаксиальных слоев ZnSe.
-
Методика, основанная на совместном использовании экспериментальных данных релаксационной спектроскопии глубоких уровней и катодолюми-несценции, позволяет определять параметры разрыва зон в квантово-размерных структурах, имеющих конфигурацию зонной диаграммы первого типа.
-
Параметр разрыва зоны проводимости в квантово-размерных структурах с одиночными и множественными квантовыми ямами на основе ZnSe/ZnCdSe и ZnTe/ZnCdTe не является фиксированной величиной, а зависит от конфигурации квантово-размерной части структуры.
Научная и практическая значимость результатов работы:
-
Установлена зависимость энергетического спектра дефектов с глубокими уровнями в эпитаксиальных пленках ZnSe, выращенных методом моле-кулярно-пучковой эпитаксии на подложках GaAs, от типа реконструкции поверхности и скорости роста пленки.
-
Получено выражение для сечения захвата носителей заряда квантовой ямой, учитывающее геометрические размеры (ширину) КЯ и высоту потенциального барьера для НЗ, находящихся на уровнях размерного квантования.
-
Проанализировано влияние внутренних упругих напряжений, обусловленных рассогласованием постоянных кристаллических решеток и температурной зависимостью линейных коэффициентов теплового расширения материалов подложки, барьерного слоя и квантовой ямы, на величины разрывов валентной зоны и зоны проводимости в квантово-размерных структурах на основе ZnSe/ZnCdSe и ZnTe/ZnCdTe.
-
Разработанная методика позволяет экспериментально определить конкретные значения относительного разрыва зоны проводимости в квантово-размерных структурах с одиночной и множественными КЯ на основе ZnSe/ZnCdSe и ZnTe/ZnCdTe.
Апробация результатов работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 98" (Зеленоград, 20-22 апреля 1998 г.), IV Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин" (Нижний Новгород, 16-17 июня 1999 г.), Международной конференции "The Ninth International
7 Conference on II-VI Compounds (II-VI '99)" (Kyoto, Japan, November 1-5, 1999), Международной конференции "Релаксационные явления в твердых телах" (Воронеж, 18-21 октября 1999 г.), Всероссийском совещании "Нанофотоника-2000" (Нижний Новгород, 20-23 марта 2000 г.), 8-м Международном симпозиуме "Nanostructures: physics and technology" (St Petersburg, Russia, June 19-23, 2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из нігх 4 статьи и 6 тезисов докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 113 наименований. Диссертация изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 22 таблицы и 48 рисунков.
