Особенности экситонных спектров приповерхностных квантовых ям А3В5 и твердых растворов полупроводников А2В6 с дефектами упаковки Власов, Юрий Александрович

Введение к работе

Ак1>яЛ!>1ШШъл'м_ьь Необходимость глубокого и всестороннего изучение оптических свойств полупроводниковых материалов вызвано важной ролью, которую эти материалы нірают в развитии современной оптоэлектронпкп. Оптические свойства полупроводников в области края поглощения в значительном степени обусловлены образованием в них экситонных возбуждении. Спектроскопические исследования экснтонных состоянии в полупроводниковых крнстатлач позволяют полупіть важную информацию об энергетической структуре полупроводника, о процессах взаимодействия эксптоноп с кристаллической решеткой,о свойствах экситонов, о структурном совершенстве крпстачлов и его фазовых превращениях и т.д. Таким образом методы экситонноп спектроскопии являются одним из главных инструментов для исследования фундаментальных свойств новых полупроводниковых материалов, которые могут составить элементную базу оптоэлектронпкп будущего. Настоящая работа состоит из двух основных частсн.одна из которых связана с исследованием экситонноп фотолюминесценции квантовых ям (КЯ) GaAs/AIGaAs, расположенных вблизи поверхности структуры, а другая - с исследованием влияния плоских дефектов упаковки в твердых растворах полупроводников (ТРП) А²В⁶ ZnCdSe и ZnMgS на экешопные спектры.

Исследование ннзкоразмерных структур А'В⁵, таких как квантовые ямы (КЯ), квантовые нити и квантовые точки, является одним из наиболее актуальных направлении современной физики полупроводников.что связано с их широким применением в современной микроэлектронике. Их оптические и электрические свойсіва определяются с одной стороны эффектами размерного квантования, приводящими к увеличению плотности электронных состоянии в минимумах зон и силы осциллятора нзлучателыгых переходов, что позволяет резко улучшить характеристики многих оптоэлсктроииых устройств. С другой стороны эти свойства сильно зависят от процессов, протекающих на поверхностях и интерфейсах, ограничивающих напообьекты. С уменьшением размеров наноструктур, когда увеличивается отношение открытой поверхности к обьему структуры, взаимодействие размерно-квантованных электронных состояний с близко расположенной поверхностью или интерфейсом во многом начинает определять нзлучательные и электрические свойства нанообьектов. Поверхностные и интерфейсные состояния яіпяіогся обычно эффективными центрами безызлучательной рекомбинации, существенно снижающими потенциачьные возможности практического использования наноструктур. Т.о. дія улучшения параметров оптоэлектронных приборов на основе напосіруктур актуатміммн яшіяются исследования механизмов влияния поверхности

па близлежащие квантованные электронные состояния. В последнее время для изучения 'механизмов такого влияния широко используются спектроскопические исследования приповерхностных КЯ, т.е. КЯ, отделенных от поверхности барьерным слоем столь малой толщины, что поверхность оказывает сильное влияние на состояния в КЯ.

Интерес к изучению твердых растворов полупроводников (ТРП) А²В⁶ также продиктован тон важной ролью, которую они играют в развитии современной оптоэлектроники. Привлекательной особенностью ТРП А²В⁶ является возможность в широкій пределах изменять ширину запрещенной зоны и положение края фундаментального поглощения в пределах практически всего видимого диапазона, эффективные массы носителей, параметры решетки и тд. В частности ТРП ZnCdSe и ZnMgS в последние годы стали часто использоваться для создания сине-зеленых гетеролазеров в віщимой области спектра. С одной стороны это продиктовано тем, что изменение ширины запрещенной зоны в них захватывает практически весь видимый диапазон, а использование ZnMgS позволяет даже перешагнуть в ультрафиолетовую область. С другой стороны изменение состава ТРП приводит к изменению постоянной решетки, что позволяет получать ненапряженные гетероструктуры. ТРП ZnMgS в этом смысле уникален, поскольку при определенных составах позволяет получить постояшгую решетки, очень близкую к наиболее часто используемому в оптоэлектронике GaAs. В то же время практическое применение ТРП ZnCdSe и ZnMgS сильно осложнено тем, что в определенной области концентрации у них возможно образование собственных плоских дефектов решетки- дефектов упаковки, приводящих к коицентрационно-зависящей перестройке структуры ТРП из кубической в гексагональную. В частности полученные к настоящему времени гстеролазеры на основе ZnMgSSe/ZnCdSe очень быстро (30-90сек) деградируют в рабочем режиме генерации. Поскольку при концентрациях ТРП, используемых в гетеролазерах такого тппа, энергия образования дефектов упаковки становится очень малон.то одной из возможных причин быстрой деградации может быть образование дефектов упаковки. Экситонная спектроскопия позволяет прсследпть за изменением зонной структуры ТРП с концентрацией, исследовать структурные изменения и оценивать качество кристалов.

Целью работы является экспериментальное исследование методами экситоннон спектроскопии механизмов влияния поверхности на размерно- квантованные состояния в квантовых ямах GaAs/AIGaAs, расположенных на малых расстояниях от поверхности и построение картины процессов, протекающих в приповерхностной области полупроводника при освещении. В задачу работы входило проведение измерений при различных условиях эксперимента (различные темпеатуры, ннененвность фотовозбуждения, расстояние от КЯ до поверхности и различная ширина приповерхностной КЯ). Для корректной постановки экспериментов в данном направлении необходимо было решить также методическую проблему

контролируемого изменения расстояния or КЯ до поверхности при фиксированных сноіісіпах последней.

Кроме того, в задачи настоящем работы входило исследование методами экснтонпой спектроскопии ТГП А-В⁶ ZnMgS и ZnCdSe с концентрационным оруктурным переходом сфалерит (ZB) - вюртцит (W), сопровождающимся образованием плоских десректов упаковки. Эти исследования предполагают экснсрнмснтатмюс выделение области коїіпеїпрационного структурного перехода, определение кріїцсіітрашіоііоіі зависимости зонных параметров ТРП, исследоваипе вшяння композиционного и с і руктурпого беспорядков, вызванное присутствием дефектов упаковки на экентонные состояния.

Научная „новизна представленных в диссертационной работе результатов заключается п том, что в нем впервые:

--разработан метод приготовления образцов с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs, в коюрых плавно в широких пределах (иаиомасштаб) изменяется расстояние от КЯ до поверхности, чю позволяет использовать методику приповерхностных КЯ для исследования влияния различных пост-ростовых обработок. Предложенным метод позволяет свести к минимуму неконтролируемый разброс свойств поверхности и свойств образца мри изменении расстояния or КЯ до поверхности, -обнаружен длинноволновый сдвиг (до 12 мэВ для КЯ 50Л) и тушение (до 1(H) линии ФЛ КЯ GaAs/AIGaAs при расстояниях до окисленной и пассивированной поверхности, меньших чем ЗООА.

--установлены зависимости длинноволнового сдвига и э(|к|)скта тушения от іініенсіївііостії возбуждающего спета, а также от температуры кристалла . --анализ экспериментальных зависимостей выявил доминирование роли приповерхностного электрического поля в наблюдаемых эффектах. Получены данные об основных параметрах, характеризующих экранирование электрического поля в приповерхностной области полупроводника.

-меюламн экептонноп спектроскопии в системе ZnCdSe, выделена область коицеифанпонпого структурного перехода сфалернт-вюртиит, соответствующая концентрациям 0.5<.\<0.7, для которой характерно образование большого количества плоских дефектов упаковки. Получена концентрационная зависимость ширины запрещенной зоны в области структурного перехода и положения отщепленной верхней валентном зоны.

-исследована концентрационная зависимость ушмрения линии экситонного отражения в ТРП ZnCdSe по всей облает концентраций. Показано.что уширенне в структурно-чистых кристаллах ТРИ обусловлено флуктуациямн состава. Обнаружено дополнительное уширенне линии экситонного отражения в области структурного перехода, которое объясняется влиянием структурного беспорядка, вызванного наличием дефектов упаковки. Показано, что существующая теория локализации экснюноп стучанным одномерным потенциалом удовлетворительно количественно пписмваеі эмперичетап.пые данные.

—обнаружено сильное увеличение полуширины линии зкентонноіі люминесценции и увеличивающийся с концентрацией дефектов упаковки стоксов сдвиг максимума люминесценции относительно дна экситонной зоны в ТРП ZnCdSe и ZnMgS в области структурного перехода. Показано, что эти явления могут быть обусловлены локализацией экситонов на плоских дефектах упаковки.

Достоверность и надежность результатов. Достоверность и

надежностьэкспериментальньк результатов и выводов работы обеспечены тщательной проработкой методики измерений и подтверждается удовлетворительным согласованием полученных результатов с расчетными моделями иимеющимимся литературными данными.

Научная и практическая значимость. Показано, что неравновесные процессы экранироан приповерхностного электрического поля, изученные в рамках настоящей работы, должны рать важную роль в системах с пониженной размерностью. В частности полученные данные позвют прояснить природу так называемых, "мертвых" слоев в квантовых нитях и точках, ответственных за тушение фотолюминесценции, наблюдающееся при уменьшении размеров подобных наноструктур, влиянием встроенных приповерхносньгх электрческих полей.

Показано, что влияние приповерхностных полей на ФЛ КЯ является общим явлением, которое следует принимать во внимание при интерпретации экспериментальных данных с использованием метода прнповерхностньгх КЯ -характеризация пространственного профиля дефектов, образованных сухим ионным травлением, влияние разнчньгх типов обработки поверхности и т.п.

Разработанный высокоразрешающий оптический метод определения распределішя электрического поля в приконтактноп области полупроводниковых структур, использующий КЯ, расположенную ііа варьируемом расстоянии от поверхности, в качестве датчика напряженности электрического поля превосходит другие оптические методы (КРС, фотоотражение) по разрешению и точности и может использоваться для диагностики гетероструктур.

Данные об области концентраций и характере протекания коцентрашюнного структурного перехода сфалнт - вгорцит важны для ігужд практического материаловедения . Данные спектральньгх исследований излучательньгх свойств ТРП ZnMgS и ZnCdSe оценки эффективности работы полупроводшковьгх лазеров с электронной накачкой на их основе, разработки излучательньгх элементов люминесцентных экранов. Отдельно можно вьіделіггь полученные данные о перспекпшной для практического применения системе ТРП ZnMgS , на основе которой возможно создание лазера, работающего в ближнем ультрафиолете с длиной волны до 300 им. Разработанная теория и общим подход к экспериментальным исследованиям особенностей экстонных спектров обусловленных детам упаковки имеет важное значение и для друпгх систем кристаллов , в которьгх возможно их образование ( А³В⁶, А'В⁷ ).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработан вмсокоразрешающиіі метод оптической характеризацни приповерхностной области полупроводниковой гетероструктуры, подвергнутой различным пост-ростовым обработкам. Метод основан на использовании клинообразные эпнтакспальпыос образной, с набором КЯ различной ширины и позволяет варьировать в наномасштабе расстояние от КЯ до поверхности структуры. ФЛ КЯ при этом используется как оптический пробник свойств приповерхностной области полупроводника, подвергнутой различной пост-ростовоіі обработкс,что позволяет получить информацию, важную для оптимизации технологического процесса приготовления наноструктур и микроэлектронных приборов.

1. При изменении толщины барьерного слоя, отделяющего квантовую яму в системе GaAs/AIGaAs от поверхности, полученной травлением и пассивированной Na,S, на низкотемпературную экситонную ФЛ ПКЯ обнаружен длинноволновый сдвиг и тушение линии ФЛ. Устаноаіеньї зависимости этих эффектов от толщины приповерхностного барьерного слоя, ширины квантовой ямы, интенсивности фотопэзбуждення и температуры кристалла.

2. Анализ совокупности экспериментальных данных с учетом различных возможных механизмов взаимодействия состояний в КЯ с поверхностью выявил доминирующую роль приповерхностного изгиба зон и связанного с ним квантово-размерного Штарк-эффекта. На основании теории квантово-размерного Штарк-эффекта построены картины распределния приповерхностного электрического поля.

3. Концентрационная зависимость уширення экситонных линий в спектрах отражения структурно чистых ТРП ZnCdSe может быть удоачетворительно объяснена в модели взаимодействия экситонов с крупномасштабными флуктуациями состава твердого раствора. Обнаружено дополнительное ушпрение экситонных линий в области структурного перехода сфалерит - вюртцпт, которое может быть обьяснено на основе модели взаимодепсіьіія экситонов с плоскими дефектами упаковки.

5. Обнаружена концентрационная зависимость уширення линии экситоннон
люминесценции и стоксова сдвига ее максимума относительно дна экситоннон зоны в
ТРП ZnCdSe п ZnMgS. В области структурного перехода обнаружено дополнительное
увеличение ширины линии люминесценции и стоксова сдвига. Показано, что эти
зависимости отражают характерные изменения края зоны, связанные с проявлением
композиционной и структурноіі разупорядоченностн.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 12 Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев,1990), 13 Международной конференции по твердому телу Европейского физического общества (Регенсбург, 1993), 3 Международной конференции по оптике экситонов в квантово-размерных структурах (Монпелье,1993), 17 Международной конференции по дефектам в полупроводниках (Гмюиден,1993), Весенней сессии Европейского общества по исследованию материалов «(Страсбург, 1993). Результаты так же

докладывались на научных семинарах Университетах г.Реіснсбурга, г.Мюнхсна , г.Санта-Барбара п др., а так же в С.-Петербургском Государственном Университете, ФИАН им.П.IIЛебедева и на семинарах в ФТИ.

П^йлАШЭШШ. По материалам диссертации опубликовано б научных статеіі в отечественных зарубежных изданиях. Основные результаты опубликованы также в тезисах 5 отечественных и зарубежных конференции. Список публикации приведен в конце автореферата.

Структура и обьсм диссертации. Диссертация состоит из введения, двух частей по три главы в каждоіі, приложения, заключения и списка литературы. Общин обьсм 176 машинописных страниц, в их числе 38 рисунков. Список литературы содержит 166 наименовании.