Введение к работе
Актуальность исследования Фотоотражение (ФО) - бесконтактный, неразрушающий метод модуляционной спектроскопии, предназначений для диагностики объемных, поверхностных и граничнораздельных свойств полупроводниковых материалов и полупроводниковых структур. Преимуществами фотоотражательного метода являются простота применения и исключительно высокое спектральное разрешение в широкой области температур. Посредством количественного анализа спектральных структур фотоотражения, измеренных в области фундаментального перехода, могут быть установлены такие важные параметры зонной струкгуры как энергия запрещенной зоны, экситонные энергии, эффективные массы носителей заряда. Математико-теоретический анализ формы спектров позволяет определить электрические свойства поверхности и границ раздела исследуемого полупроводника или полупроводниковой системы: напряженность электрического поля на поверхности и границах раздела, изгиб запрещенной зоны, ее профиль, полоурние уровня Ферми на границах раздела. Точная интерпретация спектров ФО позволяет, кроме того, сделать чрезвычайно важные выводы о качестве материала, наличии скрытых границ раздела и о точном их расположении.
Метод фотоотражения был развит в середине 60-х годов как модификация электроотражательной спектроскопии (ЭО). Основой для теоретического описания спектров ФО является созданная Аспнессом (Aspnes) и Кардоной (Cardona) теория электроотражения. Значительное теоретическое и аппаратное развитие метода ФО произошло в течении последних 10-ти лет, превратив метод фотоотражения в один из наиболее мощных и эффективных методов исследования поверхностных и граничнораздельных свойств полупроводниковых материалов и полупроводниковых структур.
Несмотря на вышеозначенные успехи, как в теоретическом описаниии спектров ФО, так и в экспериментальной методологии существует большое число неразрешенных вопросов и важных проблем. Среди прочего было установлено, что даже при исследоваїшн простых полупроводниковых структур в противоречии к теории Аспнеса спектры ФО могут иметь сложную природу и состоять из нескольких, как правило, наложенных друг на друга структур. За возникновение некоторых структур ФО ответственны
фотоиндуцированные эффекты неэлектромодуляционной природы. Фотоотражательные спектры сложных п/п структур состоят обычно из вкладов ФО из различных областей (слоев). В связи с этим детальный высокоточный количественный анализ экспериментальных спектров ФО требует рассмотрения всех спектральных составляющих и поэтому может быть осуществлен лишь путем пошагового разложения спектра на базовые компоненты. Таким образом проблема выделения различных спектральных вкладов ФО и идентификация областей их происхождения является решающей в фотоотражательных исследованиях.
В течении последних 10 лет был развит целый ряд измерительных методов для разделения и идентификации спектральных составляющих ФО. В основе всех этих методик лежит использование различия ожидаемых реакций различных спектральных составляющих на изменение внешних условий измерений.
Нелыо работы является определение природы компонент спектров ФО в области фундаментального перехода полупроводников и п/п структур группы AJBS на основе разработанных в рамках метода фотоотражения методик фазочувствительного анализа и изменения параметров лазерного возбуждения.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-
разработка методики фазочувствительного анализа и измерения спектров фотоотражения при изменении параметров лазерного возбуждения;
-
модернизация и компьютеризация экспериментальной установки для измерения спектров фотоотражения;
-
идентификация спектральных компонент различной природы;
-
определение характера модуляции электрических полей при лазерном возбуждении.
В качестве объектов исследования были выбраны различные образцы на основе полупроводниковых соединений группы А3В5, широко используемых в современной микро- и оптоэлектронике: GaAs и InP; образцы Se/GaAs, Ga^Sej/GaAs (халькоген/полупроводник), As/GaAs, In/GaAs/GaAs (металл/полупроводник); гомоэпитаксиальные образцы п-GaA&rf-GaAs, InP/InP, Au/SijN4/GaAs/GaAs; гетероэпитаксиальные образцы n-GaAs/Si и n-InP/Si; квантовая структура GaAs/AlGaAs/InGaAsP. Образцы
были получены из разных . источников, и для их изготовления использовались различные методы.
Научная новизна представленых в работе результатов заключается в следующем:
-
Экспериментальная проверка обобщенной многослоесой модели (OMCMt как наиболее адекватной модели описания электромодуляционных компонент спектров фотоотражения.
-
Доказано участие экситонных эффектов в формировании оптических модуляционных спектров при комнатной температуре.
-
Подтверждена физическая модель, описывающая возникновение электромодуляционных компонент от скрытых в глубине образца границ раздела.
-
Впервые при помощи фазочувствительного анализа была изучена динамика модуляции электрических полей на границах раздела, основывающаяся на взаимодействии поверхностных и граничнораздельных состояний с обоими типами носителей заряда.
Практическая значимость работы:
Разработаны неразрушагощие методы эффективной диагностики полупроводниковых структур на базе фотоотражательной спектроскопии.
Создана методика фазочувствителыгого анализа и измерения спектров фотоотражения при изменении параметров лазерного возбуждения, являющаяся одним из наиболее эффективных методов разделения и идентификации спектральных составляющих многокомпонентных спектров. - Эффективная методика разделения и идентификации спектральных компонент фотоотражательных спектров поверхности и границ раздела типовых полупроводниковых структур позволяет проводить экспериментальную проверку физических моделей процессов, протекающих при фотомодуляции, и на базе теоретико-математического анализа определить фундаментальные характеристики для поверхности и границ раздела.
Научные положения, выносимые на зашиту:
-
Вариация параметров лазерного возбуждения и фазочувствительный анализ спектров фотоотражения составляют базу для создания эффективной методики разделения и идентификации компонент спектров ФО.
-
Теоретико-математический анализ идентифицированных компонент спектров фотоотражения позволяет определить ряд важнейших параметров, характеризуюишх поверхности и границы раздела: энергию запрещенной зоны, зкеитонные энергии, эффективные массы носителей заряда, напряженность электрического поля на поверхности и границах раздела, изгиб запрещенной зоны, ее профиль, положение уровня Ферми на границах раздела и т.д
-
Определение характеристических временных постоянных различных спектральных компонент позволяет сделать вывод о замедленном характере модуляции электрического поля на поверхности и границах раздела.
-
Поверхности и границы раздела обнаруживают различную динамику модуляции электрического поля. При этом характеристические временные постоянные процессов, протекающих на внутренних границах раздела, значительно превосходят аналогичные постоянные процессов в приповерхностном слое.
5. Доказано, что граничнораздельные спектральные компоненты
фотоотражения формируются в рамках электромодуляционного механизма.
Апробация результате? работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на
на международных симпозиумах и конференциях "US-European Workshop 'Optical Characterization of Electronic Materials" (Halle, 5-7 October), Ежегодных международных конференциях "Fruehjahrstg. des Arbeitskr. Fesikoerperphys. bei der Dt. Phys. Gesell., AG"Halbleiterphysik"(Berlin 1995, Regensburg 1996), Международной конференциии "Highlights of light spectroscopy on semiconductors 'HOLSOS 95'"(September 1995, Rom), Международной конференции "Materials Research Society Fall Meeting" ( Boston, 1995), Международной конференции "Conference on Defect Recognition and Image Processing in Semiconductors" (Aspen Lodge, Estes Park, Colorado, December 3-6, 1995), Всероссийской
межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика-98"(МИЭТ, Зеленоград, 1998), XVI научной школе-семинаре "Рентгеновские и электронные спектры и химігческая связь" (Ижевск, 1998), Всероссийской межвузовская научно-техническая конференция
"Микроэлектроника и ннформатика-99" (МИЭТ, Зеленоград, 1999), Ежегодной сессии физического факультета ВГУ, секция физики твердого тела, полупроводников и микроэлектроники (Воронеж, 1999)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, из них 9 статей и 11 тезисов докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 137 наименований. Работа изложена на 121 страницах машинописного текста. Работа содержит 47 рисунков и 8 таблиц.
