Исследование собственного электронного спектра полупроводниковых твердых растворов Si x Ge1-x и Ga x In1-x As методами фотоэлектрической спектроскопии Панов, Михаил Федорович

Введение к работе

Актуальность темы/ Интерес к фотоэлектрической спектроскопии как к методу исследования собственного электронного спектра полупроводников еызвэн несколькими причинами. Во-пер~ еых, он дает возможность изучения состояний в широком диапазоне энергий. Во-вторых, обладает еысокой чувствительностью, что особенно важно в области края поглощения непрямозонных полупроводников. В-третьгос, позволяет исследовать объемные и пленочные образцы, а также различные структуры на их основе.

В качестве объектов исследования в настоящей работе выбраны твердые растворы Si_xGe-|__x и Ge_xini__xAs. Практическая важность этих двух полупроводниковых систем определяется возможностью изготовления на их основе фотоприемников для волоконно-оптических линий сеязи, работающих на длинах волн 0,9; 1,3 и 1,55 мкм. В определенном отношении твердые растворы Si_xGe-,__x и Ga_xin-|__xAs могут конкурировать и дополнять друг друга. Система Si-Ge отличается высоким уровнем развития технологии ее исходных компонентов. Твердые растворы Са^П^Аа характеризуются большим диапазоном изменения сеойоте при значительном подобии их энергетических зонных структур.

Особый интерес представляют напряженные и квантовораз-мерпыо структуры на ochoeo этих полупроводников, за счет новых свойств позволявшие значительно расширить их практическую значимость.

Предсказание свойств различных структур на основе твердых растворов Si_x^Gei-x и Gaxin-i.xAa, создание оптоэлек-тронннх приборов требуют надежного знания параметров объемных материалов.

Целью настоящей работы являлось определение собственного электронного спектра твердых растворов si_xGei__x и Ga^in,..^ , а также квантоворазмерпых структур на примере

^GaO,47^In0,53^Ae/InP'

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи :

1. Измерение фотоэлектрических спектров твердых растворов і і Ge, в области собственного поглощения в широком диапазоне состэеое, при температурах 1С, 85 и 3~,0 К.

2. Определение ширины энергетических зазоров с помошьо

анализа тонкой структуры спектров, а также их аавиоимоствй от состава.

3. Расчет уровней квантования в квантово-размерной структуре Ав₀ 47^Ino 53^{As/,InP и} идентификация наблюдаемых на спек-тре мвжподзонных переходов.

4. Выяснение роли экситонных аффектов в формировании фотоэлектрических спектров объемных материалов и квантово-раз-иерных структур.

Научная новизна работы состоит в:

1. экспериментальном наблюдении непрямых бесфоконных переходов в твердых рзстворах si_xGe.,__x для составов с абсолютным минимумом зоны проводимости в направлении (100) зоны Бриллюэна;

2. определении виртуальных состояний, вносящих наибольший вклад в непрямые бесфононныв переходы в кремнии и германии;

3. нахождении зависимостей энергетических зазоров от состава твердого раствора Si_xGe.,__x ;

4. теоретической оценке влияния зоны IV, на положение энергетических подуровней в квантоворазмерной структуре

^0.47^0,53^¹^ J

5) определении влияния экситрнного поглощения на спектр

фотопроводимости сверхрешвтки g&q 47^1п0 53^Ав/'^1пР Практическая значимость работы:

1. Получена информация об энергетических состояниях в твердых растворах Si_xGe-,__x и сверхрешетке g&₀ .^1 ₅₃Ло/іги> в наиболее важное с практической точки зрения части спектра -области вблизи крчя собственного поглощения.

2. Определены зависимости энергетических зазоров от состава творпого раствора Si_xGe|__x , позволяющие осуществлять его контроль по положению бесфононной компоненты на спектре фотопроводимости.

3. Разработана методика определения ширины квантовой ямы по спектру фотопроводимости квантоворазмерной структур!)

^Ua0,47^In0,53 ^Аз/1лР.

Научило аодоягння. ркпосгол.'п на wwy:

І- Гізнчсимгсти энергетического зазора ]^-Л_с (в э'О от

гогтакн твердого растгора с vr'iuocTLH.' G,00f> эБ для темпера-

тур 10 и 8F К п с точностью 0,01 эВ для температуры 300 К !??--
гут быть аппроксимированы квадратичными соотношениями:
ГО,938+0,223х-0,195х(1-х), Т=Ю К
Вр+._д (х) = -jO,924+0,23Ix-0,I64x(I-x), Т=85 К
^{S G} 10,85 +0,27х -0,Их (1-х), Т=300 К

Зависимость, энергетического зазора Г|- Lg от состава твердого раствора 3i_xGe.|__x с точностью 0,01 эВ определяется выражением:

E_r__L+ (х) - 0,76+1,68х - 1,08х (1-х), Т=Ю К .

2. Спектр фотопроводимости квантоворазмерной структуры ^Ga0 47^Ino 53^{AB//InP в оСіласти} мажподзонных переходов определяется процессами образования и диссоциации экситонов.

3. Температурная зависимость спектра фотопроводимости в области межподзонннх переходов определяется энергетическим положением ТВ -уровня соответствующего экситона относительно континуума экситонных состояний.

Апробация результатов работы,. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: І п 2 Всесоюзных конференциях "Фотоэлектрические явления в полупроводниках" (Ташкент, 24-26 октября 1989 г. и Ашхабад, 23-25 октября 1991 г.); международной конференция по оптической ха-рактеризапии полупроводников (София, 2-4 августа 1990 г.); 12 Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев, 23-2!; октября 1990 г.), а также научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского электротехнического института (1989, 1991 гг.).

Публикации. По результатам работы опубликовано 7 печатных работ, список которых приведен в конца автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит га введения, четырех разделов, заключения, приложения и спгска литературы, включающего 76 наименований. Основная часть работы изложена на 112 страницах машинописного текста. Ряоотп содержит 43 рисунка и 5 таблиц.