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

Введение к работе

АіЩШШШШь_Ш!Ьі, Необходимость глубокого и всестороннего изучение оптических свойств полупроводниковых материалов вызвано важной ролью, которую эти материалы играют в развитии современной оптоэлектроипки. Оптические свойства полупроводников в области края поглощения в значительной степени обусловлены образованием в них экснтонных возбуждении. Спектроскопические исследования экситонных состоянии в полупроводниковых кристаллах позволяют получить важную информацию об энергетической структуре полупроводника, о процессах взаимодействия эксптопов с кристаллической решеткон,о свойствах экситонов, о структурном совершенстве крнсталлоп и его фазовых превращениях и т.д. Таким образом методы экситонной спектроскопии являются одним из главных инструментов для исследования фундаментальных свойств новых полупроводниковых материалов, которые могут составить элементную базу оптоэлектроипки будущего. Настоящая работа состоит нч двух основных частей.одна кз которых связана с исследованием экситонной фотолюминесценции квантовых ям (КЯ) GaAs/AIGaAs, расположенных вблизи поверхности структуры, а другая - с исследованием влияния плоских дефектов упаковки в твердых растворах полупроводников (ТРИ) A^B^fi ZnCdSe и ZnMgS на экентонпые спектры.

Исследование нпзкоразмерпых структур А³В⁵, таких как квантовые ямы (КЯ), квантовые нити и квантовые точки, является одним из наиболее актуальных направлении современной физики полунроводников,что связано с их широким применением в современной микроэлектронике. Их оптические п электрические свойства определяются с одной стороны эффектами размерного квантования, приводящими к увеличению плотности электронных состояний в минимумах зон н силы осциллятора излучагельпых переходов, что позволяет резко улучшить характеристики многих онтоэлсктроппых устройств. С другой стороны эти свойства сильно зависят от процессов, протекающих на поверхностях и интерфейсах, ограничивающих нанообьекты. С уменьшением размеров наноструктур, когда увеличивается отношение открытой поверхности к обьему структуры, взаимодействие размерно-квантованных электронных состояний с близко расположенной поверхностью или интерфейсом по многом начинает определять нзлучательные п электрические свойства нанообьсктов. Поверхностные и интерфейсные состояния являются обычно эффективными центрами безызлучателыгай рекомбинации, существенно снижающими потенциальные возможности практического использования наноструктур. Т.о. для улучшения параметров оптоэлектронпых приборов на основе наноструктур актуальными являются исследования механизмов влияния поверхности

на 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 той важной ролью, которую они играют в развитии современной оптоэлектропикп. Привлекательной особенностью ТРП А²В⁶ является возможность в широких 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 гетсролазеров в шідимоіі 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 гегероструктуры. ТРП ZnMgS в этом смысле уникален, поскольку при определенных составах позволяет получить постоянную 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 концентраций у них возможно образование собственных плоских дефектов решетки- дефектов упаковки, приводящих к концентрацпонно-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 тмпа, энергия образования дефектов упаковки становится очень малон.то одной из возможных причин быстрой деградации может быть образование дефектов упаковки. Экснтонная спектроскопия позволяет проследить за изменением зонной структуры ТРП с концеїгграцнсн, исследовать структурные изменения и оценивать качество крнсталов.

Целью работы является экспериментальное исследование методами экситонной 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, нненспвностъ 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 тиснения расстояния ог КЯ до поверхности при фиксированных свойствах последней.

Кроме того, в задачи настоящей работы входило исследование методами экситонпой спектроскопии ТРП Л-П⁶ ZnMgS и ZnCdSe с коицетрационным структурным переходом сфалерит (ZB) - вюртцит (W), сопровождающимся образованием плоских деіректов упаковки. Эти исследования предполагают экспериментальное выделение области коннеіпрацнонпогх) структурного перехода, определение концсшрашюпой іавнснмостп зонных параметров ТРП, исследование влияния композиционною и еіруктуриого беспорядков, вызванное присутствием де<|(ектов упаковки па экентониые состояния.

Научная ...новизна представленных в диссертационной работе результатов заключается в том, что в ней впервые:

-разработан метод приготовления образцов с квантовыми ямами GaAs/AIGaAs, в которых плавно в широких пределах (иаиомасштаб) изменяется расстояние от КЯ до поверхности, что позволяет использовал, методику приповерхностных КЯ дія исследования влияния различных иост-ростовых обработок. Предложенный метод позволяет снести к минимуму неконтролируемый разброс свойств поверхности и свойств образца при 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 н пассивированной иоверхносш, меньших чем 300A.

-установлены зависимости длинноволнового сдвига и эффекта тушения ОТ интенсивности возбуждающего света, а также от температуры кристалла . --анализ экспериментальных зависимостей выявил доминирование роли приповерхностного электрического ноля в наблюдаемых эффектах. Получены данные

об основ ч параметрах, характеризующих экранирование электрического поля в

приповерхностной области полупроводника.

-меюламн экситонпой спектроскопии в системе ZnCdSe, выделена область концентрационного структурного перехода сфалерит-вюртпнт, соответствующая концентрациям 0.5<х<0.7, для которой характерно образование большого количества плоских дефектов упаковки. Получена концентрационная зависимость ширины

запрещенной w в области структурного перехода и положения отщепленной

верхней валентной зоны.

-исследована концентрационная зависимость ушнрения линии экситониого отражения в ТІЧ1 ZnOISe во всей области концентраций. Показано.что уштгренпе в структурно-чистых кристаллах ТРП обусловлено флуктуациями состава. Обнаружено дополнительное уширенне линии экситониого отражения в области структурного перехода, которое обьясняется влиянием структурного беспорядка, вызванного наличием дефектов упаковки. Показано, что существующая теория локализации экешонов случайным одномерным потенциалом удоалетворнте-льно количественно опнсмнлеї jKcncpiiMciiTamiMe данные.

—обнаружено сильное увеличение полуширины линии эксптонной люминесценции II 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

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

Научная и практическая значимость. Показано, что неравновесные процессы экраниро.ан 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 о квантовых нитях и точках, ответственных за тушение фотолюминесценции, наблюдающееся при уменьшении размеров подобных наноструктур, влиянием встроенных приповерхносных электрческих полей.

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

Разработанный высокоразрешающий оптический метод определения распределния электрического поля в прнконтактной области полупроводниковых структур, использующий КЯ, расположенную на 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 коцентрационного структурного перехода сфалит - шорцнт важны для нужд практического материаловедения . Данные спектральных исследований излучатсльных свойств ТРП ZnMgS и ZnCdSe оценки эффективности работы полупроводниковых лазеров с электронной накачкой на их основе, разработки излучатсльных элементов люминесцентных экранов. Отдельно можно выделить полученные данные о перспективной для практического применения системе ТРП ZnMgS , на основе которой возможно создание лазера, работающего в ближнем ультрафиолете с длиной волны до 300 нм. Разработанная теория и общий подход к экспериментальным исследованиям особенностей экстонных спектров обусловленных детам упаковки имеет важное значение и для других систем кристаллов , в которых возможно их образование ( А³В⁶, А'В⁷ ).

Основные положения, выносимые па зашиту:

1. Разработан высокоразрешающий метод оптической характеризацнн приповерхностной области полупроводниковой гетероструктуры, подвергнутой различным пост-ростовым обработкам. Метод основан на использовании клинообразные эпитаксиальнык образце*, с набором КЯ различной ширины и позволяет варьировать в наномасштабе расстояние от КЯ до поверхности структуры. ФЛ КЯ при этом используется как оптическим пробник свойств приповерхностной области полупроводника, подверпіутоіі различноіі пост-ростовой обработке.что позволяет получить информацию, важную для оптимизации технологического процесса приготовления наноструктур и микроэлектроиных приборов.

1. При изменении толщины барьерного слоя, отделяющего квантовую яму в системе GaAs/AlGaAs от поверхности, полученной травлением и пассивированной Na₂S, на низкотемпературную экептомную ФЛ ПКЯ обнаружен длинноволновый сдвиг и тушение линии ФЛ. Установлены зависимости этих эффектов от толщины приповерхностного барьерного слоя, ширины квантовой ямы, интенсивности фотовозбуждепня и температуры крнстатла.

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 кваитово-размерного Штарк-эффекта. На основании теории кваитово-размерного Штарк-эффекта построены картины распределния приповерхностного электрического поля.

3. Концентрат юн пая зависимость ушнремия экентонных линии в спектрах отражения структурно чистых ТРП ZnCdSe может быть удошіетворительно обьяснена в модели взаимодействия экситонов с крупномасштабными флуктуациями состава твердого раствора. Обнаружено дополнительное уширенне экситонных линий в области структурного перехода сфалерит - вюртцпт, которое может быть объяснено на основе модели взапмодепстьмя экситонов с плоскими дефектами упаковки.

5. Обнаружена концентрационная зависимость уширения линии экентонной
люминесценции и стоксова сдвига ее максимума относительно дна экситонноп зоны в
ТРП ZnCdSe и 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 структурной разупорядоченности.

.Апробация paOoibJL Основные результаты диссертации докладывались на 12

Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев,1990), 13 Международной конференции по твердому телу Европейского физического общества (Репщсбург.НШ), 3 Международной конференции по оптике экситонов в квантово-размерных структурах (Монпелье, 1993), 17 Международной конференции по дефектам в полупроводниках (Гмюццен',1993), Весенней сессии Европейского общества по исследованию материалов (Страсбург, 1993). Результаты так же

докладывались на научных семинарах Университетах г.Регеисбурга, г.Мюнхсна , г.Саита-Барбара и др., а так же в С.-Петербургском Государственном Университете, ФИЛИ им.П.НЛебедева и на семинарах в ФТИ.

Щ$ДШ4аш_Ш. По материалам диссертации опубликовано 6 научных статен в отечественных зарубежных изданиях. Основные результаты опубликованы также в тезисах 5 отечественных и зарубежных конференций. Список публикации приведен в конце автореферата.

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, двух частей по три главы в каждой, приложения, заключения н списка литературы. Общий обьем 176 машинописных страниц, в их числе 38 рисунков. Список литературы содержит 166 наименований.