Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы благодаря успехам полупроводниковой технологии многослопные эпптакспальныо с груктуры стали главным объектом научных исследований, а также базой для создания новых полупроводниковых приборов: электрооптнческпх модуляторов и переключателей, фотоприемников, сверхвысокочастотных полевых транзисторов и других устройств. В связи этим большое значение приобретает развитие неразрушающих оптических п фотоэлектрических методов диагностики и контроля параметров эпптаксиальных слоев и структур. В частности, методы спектроскопии фотоотражения и фототока являются эффективным инструментом для тестирования полупроводниковых структур.
Модуляционная методика фотоотраження (ФО), представляющая собой бесконтактную форму электроотражения, позволяет определять пороги оптических переходов п величины встроенных электрических шлеп по периоду осцилляции Франца-Келдыша, которые наблюдаются в спектрах ФО при энергиях фотонов больше шприцы запрещенной зоны. Как следствие, методика ФО дает возможность исследовать локализованные электронные состояния на поверхности и границах раздела и восстанавливать энергетическую зонную диаграмму полупроводниковых структур. Одной из проблем применения спектроскопии ФО к многослойным структурам является то, что несколько областей структуры могут одновременно вносить вклад в сигнал ФО. Это затрудняет интерпретацию и количественных! анализ измеряемых спектров. Представляется важным усовершенствовать методику фотоотраження с целью разделения различных компонент в сложных спектрах ФО.
Метод спектроскопии фототока обладает важными преимуществами перед чисто оптическими методами для целого ряда задач диагностики эпптаксиальных структур. В частности, этим методом можно измерить форму длинноволнового хвоста оптического поглощения при энергиях фотонов меньших ширины запрещенной зоны в широком динамическом диапазоне, недоступном для традиционного метода оптического пропускания. Во многих случаях спектроскопия фототока может использоваться как неразрушающая экспресс-методика определения состава полупровод-
нпковых слоев и рекомбпнацпонных параметров носителей заряда. Для полной реализации возможностей фототоковой спектроскопии необходимо дальнейшее совершенствование этого метода с целью повышения точности и расширения динамического диапазона измеряемых спектральных зависимостей.
В качестве объекта исследования были выбраны дельта-легированные структуры, в которых легирующие примеси расположены в моноатомных слоях. Дельта-легнрованне расширяет возможности создания полупроводниковых структур с заданными электрическими и оптическими свойствами. Выращивание дельта-легированных слоев в сочетании с не-лсгнрованнымп высокоомными слоями позволяет создавать структуры с однородными встроенными электрическими полями. Такие модельные структуры гораздо лучше подходят для исследования влияния электрического поля на оптические свойства полупроводников вблизи края собственного поглощения (эффекта Франца-Келдыша) по сравнению с обычными однородно легированными слоями, в которых электрическое поле неоднородно.
Цель данной диссертационной работы состоит в развитии методов фотоэлектрической спектроскопии и их применении для исследования природы оптических переходов, определения встроенных электрических полей н восстановления энергетических зонных диаграмм в дельта-легированных полупроводниковых структурах.
Положения, выносимые на защиту:
1. Фазовый анализ сигнала фотоотражения позволяет разделять вкла
ды в фотоотражение от встроенных электрических полей на границах
раздела слоистых полупроводниковых структур.
2. Эпнтакснальныс- арсешщ-галлневые структуры с одиночными
дельта-слоями являются удобными модельными объектами для развития
методики фотоотраження. Однородность встроенных электрических по
лей дает возможность наблюдать осцилляции Франца-Келдыша с боль
шим количеством экстремумов, определять величину полей с высокой
точностью и восстанавливать энергетические зонные диаграммы эпптак-
сиальных структур.
3. Резкие особенности в спектрах фотоотражения дельта-легированных
структур, наблюдающиеся вблизи края собственного поглощения, обу-
словлены встроенными электрическими полями в буферной области и на границе раздела с подложкой, а не квантово-размернымп оптическими переходами.
-
На границе раздела буферного слоя с подложкой может происходить закрепление уровня Ферми в запрещенной зоне на состояниях дефектов, возникающих на начальных стадиях молекулярно-лучевой эпитакспп.
-
Форма хвоста поглощения, измеренная методом спектроскопии фототока в дельта-легированных сверхрешетках с различными величинами встроенных электрических полей, описывается теорией эффекта Франца-Келдыша в широком диапазоне изменений коэффициента поглощения (до трех порядков) п дефицита энергий фотонов по отношению к ширине запрещенной зоны (до 0.4 эВ).
Научная новизна работы. Основные экспериментальные данные получены впервые. Впервые предложена методика фазового подавления вкладов в фотоотраженпе от встроенных электрических полей на границах раздела слоистых полупроводниковых структур, основанная на использовании отличий в кинетике фотоиндуцпрованных изменений этих электрических полей. Применение данной методики к дельта-легированным эпитаксиальным структурам впервые позволило выделить вклад в спектры фотоотражения от границы раздела буферный слой подложка, определить величины встроенных полей и построить энергетические зонные диаграммы структур с одиночными дельта-слоями и дельта-легированных ш'рг'-сверхрешеток.
Впервые методом спектроскопии фототока в дельта-легированных и і pi GaAs сверхрешетках измерена форма хвостов поглощения в однородных электрических полях различной величины и сопоставлена с теорией эффекта Франца-Келдыша в широком динамическом (до трех порядков) и спектральном (до 0.4 эВ) диапазонах. В спектрах фототока дельта-легированных nipi GaAs сверхрешеток обнаружена тонкая структура: показано, что большая часть спектральных особенностей имеет примесную природу.
Научная и практическая ценность работы заключается в следующем.
1. Предложенный и развитый в данной работе фазовый анализ сигнала фотоотражения позволяет разделять вклады от поверхности и внутренних границ раздела тонкослойных полупроводниковых структур.
-
На примере дельта-легированных структур показана возможность определения встроенных электрических полей у поверхности и на внутренних границах раздела и, как следствие, построения зонных диаграмм тонкослойных эпитаксиальных структур. Показано, что методика фотоотражения позволяет оценивать концентрацию заряженных интерфейсных состояний, обусловленных дефектами на границе раздела буферного слоя с подложкой.
-
Полученные экспериментальные спектральные зависимости экспоненциальных хвостов фототока в <5-легированных nipi GaAs сверхрешетках во встроенных однородных внешнем и внутреннем электрических полях впервые позволили экспериментально подтвердить теорию эффекта Франца-Келдыша в широком диапазоне изменений поля, коэффициента поглощения и энергий фотонов.
-
Экспериментально показана возможность модуляции коэффициента поглощения света в дельта-легированных nipi GaAs сверхрешетках внешним напряжением, приложенным между селективными контактами к дельта-слоям п- и р-тппа.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на V и VI Международной конференциях по сверхрешеткам и микроструктурам (Берлин, 1990, Кспан, 1992); XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев, 1990); Международном симпозиуме по аналогиям в оптике и микроэлектронике (Эйдховен, 1991); VI международной конференции по модулированным полупроводниковым структурам (Гармиш-Партенкирхен, 1993); I Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993); на семинарах ИФП СО АН.
Публикации. По результатам диссертации в печати опубликовано 9 работ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Объем диссертации составляет 116 машинописных страниц и включает 25 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 114 наименований.