Введение к работе
Актуальность темы:' Вопрос о природе поверхностных и интерфейсных электронных состояний, вызывающих изгиб зон, а в некоторых случаях и закрепление уровня Ферми на поверхности полупроводников, во многом остается открытым, несмотря на большое количество экспериментальных и теоретических работ. Полученные к настоящему времени данные свидетельствуют о том, что поверхностные состояния могут быть обусловлены различными микроскопическими причинами и зависят от условий приготовления поверхности и от химической природа полупроводника и адсорбатов. В связи с этим актуальной является задача исследования поверхностных состояний для. сравнительно простых модельных границ раздела. Одной из таких систем является граница раздела арсенид галлия - цезий, поскольку цезий не образует химических соединений и кластеров при нанесении на поверхность GaAs. Актуальность данной системы обусловлена также широким использованием фотокатодов с отрицательным электронным сродством (0Э0) на осново GaAs(Ca,0) в фотоэлектронных приборах и в качестве источников ультрахолодных и спин-поляркзованных электронов. Ранее считалось, что адсорбция посторонних атомов, в том числе цезия, на поверхность GaAs при комнатной температуре приводит к закреплению уровня Ферми состояниями универсальных собственных дефектов поверхности, независимо от химической природы адсорбата III. Этот вывод был сделан на основе экспериментов по адсорбции на поверхности скола GaAs (НО). В то же время, при адсорбции Сз и 02 на поверхности GaAs(110) при низкой температуре наблюдалось незакрепленное поведение уровня Ферми, обусловленное влиянием поверхностных состояний, индуцированных адатомами С2,31. Поведение электронных свойств поверхности эпитаксиального GaAs с ориентацией (100) при адсорбции цезия и кислорода до сих пор не изучалось, хотя эта поверхность наиболее важна для практических применений.
Для повышения квантовой эффективности и стабильности фотокатодов с 0Э0 важным представляется изучение фотоэмиссионных свойств широкозонных твердых растворов А3В5. Такие полупроводники, сохраняя преимущества GaAs, должны обладать большей величиной ОЭС и, возможно, лучшей стабильностью.
Возможность создания механически напряженных слоев при гетероэпитаксии позволяет повысить степень спиновой поляризации эмиттированных электронов.
Цель данной диссертационной работы состоит в экспериментальном исследовании электронных свойств поверхности эпитаксиалышх слоев GaAs(100) с адсорбированными слоями Os и 02 и в совершенствовашш фотоэмиссионных свойств полупроводниковых фотокатодов с отрицательным электронным сродством. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
- исследовать механизм формирования изгиба зон, фотоэдс и
скорости рекомбинации на поверхности эпитаксиального GaAs при
адсорбции Сз и 02 при комнатной температуре;
изучить эволюцию электронных свойств границы раздела GaAs(Cs,0) в процессе достижения состояния с отрицательным электронным сродством;
- изучить механизмы деградации чувствительности фотокатодов при
больших токах эмиссии;
- исследовать фотоэмиссионные свойства ширркозонных твердых
растворов InGaAsP.
- Объектом исследований выбраны эпитаксиалыше слои GaAs и твердых растворов InxGa.,-xASyP.,_y, полученные методами жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) и молекулярно лучевой эпитаксии (МЛЭ), поскольку объемные свойства эпитаксиальных слоев более совершенны по сравнению с монокристаллами. Кроме того, методом МЛЭ можно выращивать тестовые структуры для точного определения величины приповерхностного поля и изгиба зон методом фотоотражения. Для исследования фотоэмиссионных свойств твердых растворов использовались слои, согласованные с подложкой по параметру решетки, а также механически напряженные рассогласованные слои InGaAsP. Индуцированное напряжениями расщепление валентной зоны полупроводника позволяет получить степень спиновой поляризации эмиттированных электронов выше 50% -теоретического предела для ненапряженных пленок. Положения, выносимые на зашиту:
I. Доминирующее, влияние на электронные свойства границы раздела эпитаксиального p-GaAs с адсорбированными слоями Сз и 02 оказывают поверхностные состояния, индуцируемые адатомами, а не собственными дефектами.
_ 4 -
2. Взаимосвязь между интенсивностью краевой
фотолюминесценции, поверхностной фотоэдс и величиной изгиба зон
свидетельствует о пассивации состояний поверхностных дефектов при
нанесении цезия и кислорода.
3. Обратимые изменения электронных свойств границы раздела
p-GaAs(Cs,0) наблюдаются при различных способах приготовления
атомарно чистой поверхности арсенида галлия.
-
В процессе формирования состояния с отрицательным электронным сродством на поверхности эпитаксиального p-GaAs(IQO) происходят значительные немонотонные изменения изгиба зон и фотоэдс. Изгиб зон на оптимально активированной поверхности составляет 0.3 эВ.
-
Эпитаксиальные слои широкозонных твердых растворов InGaAsP перспективны для использования в качестве ОЭС-фотокатодов, обладающих высокой квантовой эффективностью, стабильностью и степенью спиновой поляризации электронов.
Научная новизна работы. В данной работе впервые наблюдались многократные обратимые изменения изгиба зон, поверхностной фотоэдс и интенсивности краевой фотолюминесценции при поочередной адсорбции Gs и Ог на поверхности p-GaAs при комнатной температуре. Это свидетельствует о доминирующей роли поверхностных состояний, индуцированных адатомами. В зависимости фотоэдс и интенсивности фотолюминесценции от величины изгиба зон обнаружен гистерезис, свидетельствующий о том, что в процессе адсорбции 0s и 02 происходят изменения концентраций и сечений поверхностных центров захвата и рекомбинации. Впервые обнаружены значительные немонотонные изменения изгиба зон и поверхностной фотоэдс в процессе достижения состояния с ОЭС на поверхности GaAs(Cs.O). Установлено, что изгиб зон на оптимально активированной поверхности составляет 0.3 эВ. Ранее считалось, что эта величина фиксирована и составляет 0.5 эВ. Показано, что фотокатоды с ОЭС на основе широкозонных твердых растворов InGaAsP обладают большей квантовой эффективностью и лучшей стабильностью фотоэмиссии по сравнению с арсенидгаллиевыми фотокатодами.
Научная и практическая ценность.
І. В работе показана возможность создания при комнатной температуре границы раздела p-GaAs(Cs,0), электронные свойства которой можно контролируемо изменять.
2. Обнаруженная1'эволюция изгиба зон и поверхностной фотоздс
при активировании p-GaAs цезием и кислородом до состояния с
отрицательным электронным сродством (ОЭС) меняет сложившиеся
ранее представления о формировании состояния с ОЭС и позволяет
получать ОЭС-фотокатода с различным набором поверхностных
электронных свойств.
3. Использование низкотемпературной методики очистки
.поверхности [4] и двухкамерной сверхвысоковакуумной установки
позволяет более чем на два порядка увеличить стабильность фотокатода при больших токах эмиссии.
4. Результаты исследования фотоэмиссионных свойств
широкозонных твердых растворов InGaAsP показывают, что фотокатоды
на основе этого материала обладают большей, по сравнению с GaAs,
квантовой эффективностью и лучшей стабильностью.
Апробация работы. Результаты, полученные в данной работе, докладывались на I Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993г.), на Международной конференции по фотокатодам для источников поляризованных по спину электронов для ускорителей (SLAG, Stanford, California, 1993г.), на 10 Международном симпозиуме по спиновой физике высоких энергий (Nagoya, 1992г.), на XI Всесоюзной научно-технической конференции по фотоэлектронным приборам (Ленинград, 1990г.), на I Международной конференции по физике низкоразмерных структур (Черноголовка, 1993г.) По результатам диссертации имеется 9 публикаций.
Объем и структура диссертации.
