Содержание к диссертации
Введение
Гл. 1. Влияние электрического поля на оптические свойства полупроводников (обзор литературы)
1.1. Эффект Франца-Келдыша в кристаллах 15
1.2. Учёт экситонных эффектов 21
1.3. Квантоворазмерный эффект Штарка 26
1.3.1. Уровни размерного квантования в квантовых ямах 26
1.3.2. Влияние электрического поля на уровни размерного квантования 28
1.3.3. Экспериментальные работы по наблюдению влияния внешнего электрического поля на одиночные квантовые ямы 32
1.4 Фото- и электроотражение как методы исследования полупроводниковых материалов и структур 36
1.4.1. Исследование GaAs методами фото- и электроотражения 40
1.4.2. Фото- и электроотражение квантовых ям 43
Выводы по 1 главе 46
Гл. 2. Экспериментальная установка и исследованные образцы
2.1. Модернизация установки для измерения спектров фото- и электроотражения 48
2.1.1. Функциональная схема и аппаратурная реализация 49
2.1.2. Технические данные модернизированной установки 52
2.1.3. Методика измерений спектров фото- и электроотражения ..54
2.2. Характеристики исследованных образцов
2.2.1. Образцы эпитаксиальных слоев GaAs 56
2.2.2. Образцы одиночных квантовых ям (In,Ga)As/GaAs 59
Выводы по 2 главе 63
Гл. 3. Исследование эпитаксиальных слоев GaAs
3.1. Определение напряжённости внутреннего электрического поля по спектрам фото- и электроотражения
3.1.1. Традиционный метод 65
3.1.2. Определение напряжённости с учётом вклада тяжёлых и лёгких дырок (метод быстрого преобразования Фурье) 69
3.2. Бесконтактная характеризация эпитаксиальных слоев сверхчистого GaAs 74
3.2.1. Результаты исследования GaAs методом фотоотражения при комнатной температуре
3.2.1 .а. Область энергий hco>Eg. 74
3.2.1.6. Область энергий fcco 3.2.2. Исследование GaAs методом фотоотражения при низкой температуре 83 Выводы поЗ главе 87 Гл. 4. Исследование одиночных квантовых ям InGaAs/GaAs 4.1. Влияние внешнего электрического поля на одиночную квантовую яму 89 4.2. Экспериментальные результаты и их обработка 4.2.1. Идентификация оптических переходов в квантовой яме...91 4.2.2. Влияние электрического поля на энергетический спектр одиночной КЯ (In,Ga)As/GaAs 96 4 4.2.3. Выявление механизмов модуляции, ответственных за формирование спектров фото- и электроотражения одиночных квантовых ям 100 4.3. Изменение вероятности оптических переходов в КЯ под действием электрического ПОЛЯ 107 Выводы по 4 главе 110 Заключение 112 Литература 113 Введение к работе По мнению большинства специалистов развитие опто- и наноэлектроники в ближайшие десятилетия будет определяться применением сверхчистых полупроводниковых материалов и квантоворазмерных гетероструктур. Принципиально важную роль в этих структурах играют эффекты размерного квантования, управлять которыми можно путем изменения физико-химических и геометрических параметров соответствующих эпитаксиальных слоев. Среди уже существующих приборов с такими структурами можно назвать транзисторы с высокой подвижностью электронов, различные модификации полупроводниковых инжекционных лазеров, светодиодов, фотоприёмников и многие другие. В технологии получения сверхчистых полупроводниковых материалов и квантоворазмерных структур принципиально важное значение приобретает разработка методов диагностики. Применяемые в настоящее время для этой цели методы электронной микроскопии, Оже-спектроскопии и электронно-зондового микроанализа весьма трудоёмки и требуют дорогостоящего оборудования. Измерения фото- и электролюминесценции, позволяющие получить информацию об энергетическом спектре носителей заряда в полупроводниковых структурах, не вполне его отражают вследствие передачи возбуждения на более низкоэнергетические состояния. Фотоотражение (ФО) и электроотражение (ЭО), как методы модуляционной оптической спектроскопии, являются неразрушающими, обладают высокой чувствительностью, не требуют помещения образца в высокий вакуум и сравнительно просты в практической реализации. Исследуемые в настоящей работе сверхчистые эпитаксиальные слои и квантовые ямы (КЯ) на основе арсенида галлия являются базовыми материалами и структурами для современной опто- и наноэлектроники. 6 Поэтому полученные результаты могут представлять общий интерес для физики и техники полупроводников. Целью работы являлось: изучение влияния внешних и внутренних электрических полей на электронные состояния и вероятность оптических переходов в квантоворазмерных гетероструктурах, а также разработка методов неразрушающего контроля сверхчистых эпитаксиальных слоев GaAs и одиночных квантовых ям InGaAs/GaAs. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи: модернизация экспериментальной установки фото- и электроотражения; оценка влияния концентрации свободных носителей заряда на спектры фотоотражения GaAs; определение внутренних электрических полей в исследуемых одиночных КЯ по измеренным спектрам ФО и ЭО; выявление основных механизмов, ответственных за формирование спектров фотоотражения и электроотражения одиночных квантовых ям; расшифровка сложного дифференциального спектра и выделение вклада отдельных экситонных переходов в его формирование; исследование влияния электрического поля на энергетический спектр и вероятность оптических переходов в одиночных КЯ. В качестве объектов исследования были выбраны: толстые (20-200 мкм) эпитаксиальные слои n-GaAs с различной концентрацией п от 1012 до 1015 см"3, выращенные как на полуизолирующей (ПИ), так и на п+-подложке GaAs; одиночные квантовые ямы InxGai_xAs/GaAs разной ширины и глубины. Научная новизна представляемых в работе результатов заключается в следующем: Экспериментально получена зависимость ширины основного экситонного пика в спектрах фотоотражения n-GaAs от концентрации свободных носителей заряда. Обнаружено увеличение отношения интенсивности длинноволнового пика к амплитуде основной осцилляции в спектрах фотоотражения арсенида галлия при уменьшении концентрации свободных носителей заряда от 1015 до 1012 см"3. Показано, что при малых электрических полях (единицы кВ/см) основным механизмом формирования сигнала электроотражения в одиночных КЯ InGaAs/GaAs является модуляция вероятности оптических переходов. Для возбуждённых уровней размерного квантования экспериментально продемонстрирована немонотонная зависимость вероятности межзонных оптических переходов от напряжённости электрического поля. Показано, что существует область значений электрического поля, где вероятность запрещённых в нулевом поле переходов превышает вероятность разрешённых. Практическая значимость работы; На основе измерений спектров фотоотражения разработана методика бесконтактной характеризации эпитаксиальных слоев сверхчистого арсенида галлия (до п~ 10 см"). Наблюдавшиеся в работе на примере квантовой ямы InxGai_xAs/GaAs сильные и нетривиальные изменения вероятности оптических переходов под действием электрического поля открывают возможности, как создания новых приборов оптоэлектроники, так и подстройки внешним полем характеристик уже существующих (каскадных лазеров; фотоприёмников на межподзонных переходах; приборов, использующих резонансное туннелирование и т.п.). Научные положения, выносимые на защиту: Ширина основного экситонного пика в спектрах фотоотражения n-GaAs и соотношение интенсивностеи длинноволнового и основного пиков зависят от концентрации свободных носителей заряда, что может быть использовано для диагностики сверхчистых эпитаксиальных слоев спот 1012 до 1015 см"3. При малых электрических полях F (единицы кВ/см) основным механизмом формирования сигнала электроотражения в InGaAs/GaAs КЯ является модуляция вероятности оптических переходов. Для возбуждённых уровней размерного квантования наблюдается немонотонная зависимость вероятности межзонных оптических переходов от напряжённости электрического поля и существует область значений F, где вероятность запрещённых в нулевом поле переходов превышает вероятность разрешённых. Апробация результатов работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: 12-м Международном симпозиуме "NANOSTRUCTURES: Physics and Technology" (St. Petersburg, Russia, June 21-25,2004); - Международной конференции "International Workshop on Modulation Spectroscopy of Semiconductor Structures" (Wroclaw, Poland, July 1-3, 2004); 3-й, 5-й, 6-й и 7-й Всероссийских молодёжных конференциях по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, Россия, 2001, 2003, 2004 и 2005); Международной конференции "International Conference of St. Petersburg IEEE Chapters" (St. Petersburg, Russia, June 8-10, 2004); - 4-Й-7-Й научных молодёжных школах по твердотельной электронике (2001-2004); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2003-2006). Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, из них - 4 статьи и 2 работы в материалах международных конференций. Работа выполнена на кафедре Микроэлектроники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории оптических методов контроля. Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы, включающего 134 наименования. Основная часть диссертации изложена на 86 страницах машинописного текста. Работа содержит 33 рисунка и 11 таблиц. Во введении к диссертации обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, её научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту. Первая глава носит обзорный характер. В ней на основе литературных данных анализируется влияние электрического поля на оптические свойства полупроводников. Подробно рассмотрен эффект Франца-Келдыша и учёт электрон-дырочного взаимодействия. Большое внимание уделено квантоворазмерному эффекту Штарка. Описан расчёт уровней размерного квантования в квантовых ямах как в присутствие электрического поля, так и без него. Проведён обзор экспериментальных работ, в которых наблюдалось влияние внешнего электрического поля на одиночные КЯ. Приведены примеры использования квантоворазмерного эффекта Штарка в реальных приборах. Большая часть главы посвящена фото- и электроотражению как эффективным методам исследования полупроводниковых материалов и структур. Проведён обзор опубликованных работ, в которых ФО применялось для определения концентрации свободных носителей заряда в GaAs. Рассмотрены случаи применения методов ФО и ЭО для исследования КЯ, находящихся в электрическом поле. Вторая глава посвящена описанию автоматизированной установки фото- и электроотражения и исследованных в работе образцов. Сформулированы основные требования к этой установке и обозначены основные направления её модернизации. Отмечена необходимость повышения чувствительности измерений и осуществления экспериментов ФО и ЭО при низких температурах. Приводится полная функциональная схема модернизированной установки. Представлена методика измерения спектров фото- и электроотражения. Во второй части главы приводятся характеристики исследованных образцов: эпитаксиальных слоев сверхчистого n-GaAs и образцов с одиночными квантовыми ямами InxGai.xAs/GaAs. Третья глава посвящена исследованию эпитаксиальных слоев GaAs. В первой части описано определение напряжённости внутреннего электрического поля по спектрам ФО и ЭО образцов с одиночной КЯ InxGai_xAs/GaAs. Для определения величины этой напряжённости применялось два метода обработки спектров с осцилляциями Франца-Келдыша (ОФК). Первый метод — традиционный — заключался в линейной аппроксимации зависимости энергетического положения экстремумов осцилляции от их номера. В основе второго метода лежало быстрое преобразование Фурье. 11 Последний метод позволил учесть вклад тяжёлых и лёгких дырок в формирование осцилляции Франца-Келдыша. Вторая часть третьей главы посвящена разработке методики бесконтактной характеризации эпитаксиальных слоев сверхчистого GaAs. В основу методики положено измерение спектров ФО при комнатной и «азотной» температурах. Описание результатов исследований при комнатной температуре можно условно разделить на две части: область энергий hco>Eg и область энергий hco Четвёртая глава посвящена исследованию одиночных квантовых ям InGaAs/GaAs, с целью определения возможности при помощи внешнего электрического поля управлять вероятностью оптических переходов в наноструктурах. Описана методика выявления вклада отдельных экситонных переходов в сложный дифференциальный спектр. Рассмотрено влияние электрического поля на энергетические уровни одиночной КЯ (In,Ga)As/GaAs. Выявлены основные механизмы формирования спектра ЭО при различных значениях поля. Получено экспериментальное подтверждение нетривиальных зависимостей вероятности оптических переходов в КЯ от электрического поля. Рассматриваются возможные следствия этого эффекта. В заключении сформулированы основные результаты работы. Во введении к диссертации обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, её научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту. Первая глава носит обзорный характер. В ней на основе литературных данных анализируется влияние электрического поля на оптические свойства полупроводников. Подробно рассмотрен эффект Франца-Келдыша и учёт электрон-дырочного взаимодействия. Большое внимание уделено квантоворазмерному эффекту Штарка. Описан расчёт уровней размерного квантования в квантовых ямах как в присутствие электрического поля, так и без него. Проведён обзор экспериментальных работ, в которых наблюдалось влияние внешнего электрического поля на одиночные КЯ. Приведены примеры использования квантоворазмерного эффекта Штарка в реальных приборах. Большая часть главы посвящена фото- и электроотражению как эффективным методам исследования полупроводниковых материалов и структур. Проведён обзор опубликованных работ, в которых ФО применялось для определения концентрации свободных носителей заряда в GaAs. Рассмотрены случаи применения методов ФО и ЭО для исследования КЯ, находящихся в электрическом поле. Вторая глава посвящена описанию автоматизированной установки фото- и электроотражения и исследованных в работе образцов. Сформулированы основные требования к этой установке и обозначены основные направления её модернизации. Отмечена необходимость повышения чувствительности измерений и осуществления экспериментов ФО и ЭО при низких температурах. Приводится полная функциональная схема модернизированной установки. Представлена методика измерения спектров фото- и электроотражения. Во второй части главы приводятся характеристики исследованных образцов: эпитаксиальных слоев сверхчистого n-GaAs и образцов с одиночными квантовыми ямами InxGai.xAs/GaAs. Третья глава посвящена исследованию эпитаксиальных слоев GaAs. В первой части описано определение напряжённости внутреннего электрического поля по спектрам ФО и ЭО образцов с одиночной КЯ InxGai_xAs/GaAs. Для определения величины этой напряжённости применялось два метода обработки спектров с осцилляциями Франца-Келдыша (ОФК). Первый метод — традиционный — заключался в линейной аппроксимации зависимости энергетического положения экстремумов осцилляции от их номера. В основе второго метода лежало быстрое преобразование Фурье. Последний метод позволил учесть вклад тяжёлых и лёгких дырок в формирование осцилляции Франца-Келдыша. Вторая часть третьей главы посвящена разработке методики бесконтактной характеризации эпитаксиальных слоев сверхчистого GaAs. В основу методики положено измерение спектров ФО при комнатной и «азотной» температурах. Описание результатов исследований при комнатной температуре можно условно разделить на две части: область энергий hco Eg и область энергий hco Eg. В первой части основное внимание уделено ОФК и неоднородному уширению спектральных линий. Вторая часть посвящена исследованию влияния концентрации свободных носителей заряда на длинноволновый пик в спектрах ФО GaAs. Низкотемпературные измерения фотоотражения арсенида галлия позволили повысить точность его диагностики. Полученные по спектрам ФО значения концентрации свободных носителей заряда сравниваются с данными независимых измерений. Четвёртая глава посвящена исследованию одиночных квантовых ям InGaAs/GaAs, с целью определения возможности при помощи внешнего электрического поля управлять вероятностью оптических переходов в наноструктурах. Описана методика выявления вклада отдельных экситонных переходов в сложный дифференциальный спектр. Рассмотрено влияние электрического поля на энергетические уровни одиночной КЯ (In,Ga)As/GaAs. Выявлены основные механизмы формирования спектра ЭО при различных значениях поля. Получено экспериментальное подтверждение нетривиальных зависимостей вероятности оптических переходов в КЯ от электрического поля. Рассматриваются возможные следствия этого эффекта. Электрическое поле F, приложенное перпендикулярно интерфейсу симметричной КЯ связывает состояния с противоположной чётностью и во втором порядке влияет на их энергии и волновые функции. Так, энергия основного состояния уменьшается, а электронная (дырочная) волновые функции поляризуются в разные стороны вдоль направления поля как это показано на рис. 1.8. Как и в атомной физике, этот квадратичный эффект в одиночной КЯ относится к эффекту Штарка из-за его аналогии с влиянием электрического поля на изолированный атом. Эффект Штарка был предложен для объяснения вызванного поперечным полем сдвига и тушения фотолюминесценции (ФЛ) в узких GaAs-Gai.xAlxAs КЯ авторами работы [26]. С тех пор, множество оптических экспериментов (поглощение [38, 30], фотопроводимость [39], Рамановское рассеяние [40], возбуждение фотолюминесценции [41] и электроотражение [42]) подтвердили сдвиг Штарка и поляризационные эффекты. Они показали значительность этого эффекта в широких КЯ, в которых наблюдались сдвиги основного межзонного перехода больше чем на 100 мэВ. Индуцированное полем тушение фотолюминесценции наблюдалось многими авторами [26, 43, 39, 44, 45]. Были предложены различные механизмы, такие как уменьшение силы осциллятора и увеличение безызлучательных процессов, чтобы объяснить наблюдаемое уменьшение интенсивности ФЛ [32]. Индуцированная полем, поляризация электронных и дырочных волновых функций к противоположным стенкам КЯ приводит к уменьшению интеграла перекрытия, и, следовательно, к уменьшению силы осциллятора и интенсивности ФЛ. Было обнаружено, что для узких ям [26, 46] величина этого эффекта слишком мала, чтобы объяснить наблюдаемое тушение ФЛ. В этом случае был предложен другой, более существенный механизм. Поскольку при энергии возбуждения большей ширины запрещённой зоны AlxGai.xAs наблюдалось большое увеличение фототока одновременно с сильным тушением ФЛ, авторы [44] заключили, что тушение ФЛ в КЯ было вызвано утечкой фото-генерированных носителей через барьеры. Этот эффект оказался больше, чем увеличение безызлучательных процессов или уменьшение перекрытия между волновыми функциями электронов и дырок. Использование тонких AlxGai_xAs слоев в качестве барьеров для квантовых ям также увеличивает туннельный механизм [39]. В работе [47] наблюдалось значительное увеличение времени жизни ФЛ КЯ при изменении поля практически от 0 до 100 кВ/см. Это связывалось с пространственным разделением зарядов в КЯ. Особо отмечено, что сильное увеличение времени жизни наблюдается только в высококачественных структурах, где конкурирующие безызлучательные эффекты играют меньшую роль. В этих образцах не наблюдалось тушения ФЛ при увеличении поля. С другой стороны, экспериментальное наблюдение увеличения излучательного времени жизни одновременно с уменьшением интенсивности люминесценции было обнаружено в [45]. В этих работах показано, что расчёт вызванных полем изменений силы осциллятора может описать увеличение излучательного времени жизни и тушение люминесценции [47, 45]. В работе [32] уменьшение интегральной интенсивности ФЛ при увеличении поля также сравнивается с расчётами полевой зависимости квадрата интеграла перекрытия, полученного вариационным методом. Однако одновременно рассматриваются и другие механизмы, влияющие на тушение люминесценции. Так, в средних полях в качестве основного механизма рассматривается тунне-лирование, а в больших полях — выброс носителей из КЯ. В [30] исследовалось влияние не только поперечного, но и продольного электрического поля на поглощение GaAs-GaxAl].xAs КЯ. В продольном поле экситоны уширялись при увеличении поля и исчезали при F 10KB/CM. ЭТОТ результат по порядку величины согласуется с прямыми теоретическими расчётами, приведёнными в указанной статье. Такое поведение качественно напоминает ситуацию в трёхмерных полупроводниках. Электрическое поле сдвигает не только основной уровень КЯ, но также её возбуждённые состояния, хотя знак сдвига первого возбуждённого состояния обычно противоположный и его величина меньше. Эксперименты по инфракрасному поглощению [48] в ямах с Lz=12 нм при F 35 кВ/см показали положительные сдвиги на 1.5 мэВ для межподзонного перехода с участием основного и первого возбуждённого состояний, как результат противоположного штар-ковского сдвига двух уровней. Влияние электрического поля, продемонстрированное в GaAs-Gai.xAlxAs ямах [33], наблюдались и в других материалах группы А В , которые могут быть более предпочтительными для определённых оптических применений: InGaAs-InAlAs [49], InGaAs-InP [50], InGaAsP-InP [51] и GaSb-GaAlSb [52], и в широкозонных соединениях А2В6, таких как ZnSe-ZnMnSe [53]. Поиск новых комбинаций материалов для реализации квантоворазмерного эффекта Штарка остаётся актуальным и в настоящее время. Так, совсем недавно появилась публикация о наблюдении этого явления в узких германиевых КЯ, выращенных на Si [54], что, по мнению авторов, позволит изготовить эффективный оптический модулятор в единой кремниевой технологии. Действительно, кроме чисто научного интереса квантоворазмерный эффект Штарка имеет прикладное значение. Способность экситонов в КЯ выдерживать значительные электрические поля вместе с их большой энергией связи сделала возможным новые применения этих структур в реальных полупроводниковых приборах. Эти приборы используют преимущества влияния сдвига Штарка на коэффициент поглощения, чтобы изготавливать модуляторы, работающие при комнатной температуре с временами переключения ниже 130 псек [55]. Для объёмных полупроводников имеются, в основном, ясные представления о механизме формирования сигналов фото- и электроотражения (ФиЭО) (1.1, 1.2). В экспериментах по исследованию ФиЭО одиночных КЯ электрическое поле приложено перпендикулярно слоям, и носители в яме не могут ускоряться полем в этом направлении, так как их поперечная эффективная масса формально бесконечно велика. То есть, нет ускорения частиц полем - необходимого условия существования эффекта Франца-Келдыша, и он в этом случае не может являться причиной возникновения сигналов ФиЭО [84]. В квантоворазмерных структурах отражение определяется, прежде всего, энергетическим спектром носителей заряда в квантовых ямах и влиянием электрического поля на этот спектр. В достаточно глубоких квантовых ямах и слабых полях уровни размерного квантования практически не уширяются в присутствии электрического поля, а лишь сдвигаются вследствие эффекта Штарка, что приводит к изменению энергий межзонных оптических переходов. Кроме того, при наличии поля могут становиться разрешенными запрещенные в отсутствие электрического поля переходы [85, 84]. В сильных полях необходимо учитывать также и индуцированное полем уширение уровней размерного квантования и возможное туннелирование носителей через потенциальный барьер ямы. Как было отмечено в [86] методом спектроскопии ЭО может быть получена ценная информация о влиянии электрического поля на энергетические уровни и оптические константы в КЯ. Впервые этот метод был применён для изучения эффекта Штарка в [42]. При Т=35 К исследовались GaAs-Gao.46Alo.54As КЯ толщиной 3.7, 5 и 7 нм. Внутреннее электрическое поле определялось по ОФК [87], формируемым в области барьеров, а также по амплитуде спектральной особенности, соответствующей переходам в спинотщеплённую подзону (Ео+Ао) в Gao.46Alo.54As барьерах. Обе модели давали одно и то же значение поля с погрешностью ±10%. Приложением отрицательного напряжения смещения величина поля варьировалась в пределах от 10 до 260 кВ/см (для самой узкой ямы). Экспериментально полученный сдвиг спектральной особенности llh сравнивался с результатами расчётов, полученных вариационным методом [31]. При сравнении теории и эксперимента было отмечено расхождение в пределах 30%, которое авторы связали с неточностью определения встроенных полей и ненадёжными данными по эффективным массам в твёрдых растворах. В работе [88] методом ФО (300 К) были исследованы 10 нм/15 нм множественные КЯ GaAs-GaxAli_xAs (х 0.17). Помимо разрешённых правилами отбора оптических переходов наблюдались «запрещённые» переходы: 12h, 13h и 21h. В более поздней работе [89] было высказано предположение, что наблюдение «запрещённых» переходов связано с присутствием в области квантовой ямы встроенного электрического поля. Совсем недавно появилась работа [90], в которой одиночная КЯ AlAs(2 HM)-GaAs(15 HM)-A1AS(2 НМ) исследовалась методом ЭО (77К). Эта яма была специально выращена в і-области р-і-п-диода, к которому прикладывались различные напряжения смещения (от +1.2 до -2В) и изучалось их влияние на оптические переходы с участием возбуждённых электронных состояний КЯ. Поскольку в данной диссертационной работе будут изучаться одиночные квантовые ямы (In,Ga)As/GaAs, рассмотрим их более подробно. К особенностям этой гетеросистемы относится то, что КЯ находится в напряженном состоянии. Период решетки у твёрдого раствора Ino.225Gao.775As больше чем у GaAs. Плоская упругая деформация, в состоянии которой находится яма, по своему воздействию на зонную структуру полупроводника эквивалентна одноосной деформации растяжения (или двухосного сжатия) [91]. В результате происходит изменение зонной структуры материала: снятие вырождения валентной зоны и расщепление подзон лёгких дырок (//г) и тяжелых дырок (/г/г). Увеличивается ширина запрещённой зоны материала КЯ, а подзона лёгких дырок оказывается ниже подзоны тяжёлых. Это смещает переходы с участием lh в более высокоэнергичную область, что упрощает расшифровку длинноволновой части экспериментальных спектров, но, одновременно, ставит задачу идентификации переходов в коротковолновой области. Эта задача была решена в работе [92]. Авторы этой статьи методом фотоотражения (ЗООК) исследовали одиночные КЯ InxGai_xAs-GaAs (х=0.11 и 0.19). Они смогли проследить поляризационную зависимость спектров ФО, реализовав измерения не только в обычной конфигурации (свет падает перпендикулярно плоскости КЯ), но также использовав метод полного внутреннего отражения. Последний метод стал возможным благодаря тому, что энергия уровней размерного квантования в КЯ оказывается ниже уровня дна зоны проводимости не только барьеров, но и подложки из GaAs. Это исследование позволило авторам [92] чётко идентифицировать состояния, связанные с тяжёлыми и лёгкими дырками, что помогло им определить разрывы зон. Как было отмечено в [86], подобный результат в гетероси-стеме GaAs-(Ga,Al)As был получен только путём сравнивания спектров ФО и пьезоотражения. В этой работе было также замечено, что гетеропереход InxGai_xAs-GaAs для лёгких дырок относится ко 2-му типу, то есть // , в отличие от электронов и тяжёлых дырок, оказываются локализованы вне слоя КЯ. Более подробное изучение переходов с участием лёгких дырок в таких КЯ было предпринято в [93]. Методом ФО (10 К) авторами этой работы наблюдались непрямые в координатном пространстве экситонные переходы с участием lh в In0.i5Gao.85As-GaAs КЯ (L=3 нм и 10 нм). Регистрация спектров ФиЭО включает в себя следующие этапы: 1. Измерение модуляционного спектра отражения AR(n) 2. Измерение спектра обычного отражения R(n). 3. Построение спектров ФиЭО AR(n)/R(n) путем поточечного деления спектров AR(n) и R(n) друг на друга с учётом масштабного коэффициента. Коэффициент зависел от ширины щелей монохроматора и пределов измерения напряжений. 4. Перевод числа делений п в энергию (в эВ) с использованием выражения (2.2). В ряде случаев, для получения общих представлений о форме спектров ФиЭО можно не производить деления на R, поскольку эта процедура не вносит качественных изменений. При этом величина сигнала на измеренном спектре обозначается в относительных единицах. Основной проблемой при измерении спектров ФО являлась сильная паразитная фотолюминесценция, возникающая вследствие облучения образца лазерным излучением. Она чаше всего проявляется для сильнолегированных образцов и при низкотемпературных измерениях. В этом случае возникали трудности в измерении слабого сигнала, связанного с модуляцией отражения, на фоне сильного паразитного сигнала люминесценции, не зависящего от длины волны зондирующего света. Для решения этой проблемы в ряде случаев использовалось дополнительное ослабление мощности излучения лазера нейтральным фильтром (поз. 28), что, в свою очередь, снижало уровень паразитного сигнала. Следует отметить, что модуляционные измерения чрезвычайно чувствительны к состоянию поверхности образца, а также внешним условиям эксперимента (температуре, точности позиционирования, углам падения лучей, ориентации образца). Поэтому для обеспечения надежности измерений каждый спектр измерялся несколько раз. Арсенид галлия чрезвычайно широко используется в современной электронике и оптоэлектронике. Из него изготавливают диоды Ганна, варакторы, полевые транзисторы, инжекционные лазеры, излучающие диоды, приборы с барьерами Шоттки, интегральные микросхемы и др. Существует интерес к полуизолирующему GaAs со стороны физики высоких энергий. Ставится задача получения детекторов с максимально возможной рабочей областью, роль которой выполняет область электрического поля смещённой в обратном направлении р+-п-структуры. Здесь очевидным препятствием является высокая степень компенсации проводимости полуизолирующего арсенида галлия. В данной диссертационной работе исследовались слои n-GaAs толщиной от 20 до 200 мкм, выращенные методом низкотемпературной газофазной эпи-таксии в открытой хлоридной системе [102, 103] (лаборатория физических явлений в эпнтаксиальных полупроводниковых структурах, ФТИ им. А. Ф. Иоффе, РАН). В качестве подложки использовался как полуизолирующий (ПИ), так и сильнолегированный (п+) арсенид галлия. Подложки имели диаметр 2 дюйма. Они горизонтально размещались в ростовой зоне длинной 19 см с градиентом температуры порядка 3 С/см. В качестве источников галлия и мышьяка использовались непосредственно Ga и AsCb уровня чистоты 99.9999. В работе [104] были рассмотрены особенности эпнтаксиальных слоев n-GaAs как детекторов а-частиц. Исследованные в этой работе слои имели меньшее на два порядка величины содержание примеси и дефектов структуры, образующих глубокие уровни в запрещённой зоне материала. Для времени жизни носителей заряда в треке а-частицы была получена величина 200 нсек, что на два порядка выше значений для традиционно используемого в детектоpax полуизолирующего GaAs. Основные данные по исследованным в диссертационной работе образцам приведены в таблицах 2.1-2.3. Толщина эпитаксиальных слоев «крайних» образцов каждой серии определялась травлением скола и наблюдениями на металлографическом микроскопе МИМ-8М. Для определения толщины у образцов с промежуточными номерами использовалась линейная интерполяция. У тех образцов, у которых это можно было сделать (полуизолирующая подложка и не слишком малые концентрации в эпитаксиальных слоях), концен трация и подвижность носителей заряда определялась с использованием эффекта Холла методом Ван-дер-Пау при температуре Т=77К.Экспериментальные работы по наблюдению влияния внешнего электрического поля на одиночные квантовые ямы
Методика измерений спектров фото- и электроотражения
Определение напряжённости с учётом вклада тяжёлых и лёгких дырок (метод быстрого преобразования Фурье)
Влияние электрического поля на энергетический спектр одиночной КЯ (In,Ga)As/GaAs
Похожие диссертации на Исследование эпитаксиальных слоев GaAs и одиночных квантовых ям (In, Ga)As/GaAs методами фото- и электроотражения
