Введение к работе
Актуальность темы. Гетероструктуры с квантовыми ямами (ГКЯ) стали в последние годы одним из основных объектов исследований и разработок в физике, технике и технологии полупроводников. Успехи в их изучении в значительной мере связаны с развитием методов диагностики ГКЯ.
Проблема диагностики ГКЯ заключается в определении различных параметров ГКЯ: энергетического спектра квантовых ям (КЯ), ширины запрещенной зоны гетерослоев, толщины гетерослоев, времен жизни неравновесных носителей в КЯ в отношении различных каналов рекомбинации и эмиссии носителей, примесно-дефектного состава слоев и др.
Дня диагностики ГКЯ наиболее широко применяются оптические и фотоэлектронные методы: спектроскопия поглощения света, фотоотражения, фотолюминесценции и возбуждения фотолюминесценции. Из них в настоящее время наиболее развит и широко применяется метод фотолюминесценции (ФЛ), дающий информацию об энергетическом спектре КЯ, морфологии гетерограниц, напряжениях и дефектах в КЯ и др.
Значительный интерес представляют также фотоэлектрические методы диагностики, основанные на измерениях фотопроводимости и фотоволь-таических эффектов в ГКЯ. Они позволяют независимо получать часть той информации, которую дает метод ФЛ, причем часто в более удобных и простых условиях (300K, низкий уровень фотовозбуждения). Этими методами можно изучать нелюминесцирующие структуры (из непрямозонных материалов и сильно дефектные), а также получать специфическую информацию, которую трудно получить другими методами.
С точки зрения технологического контроля ГКЯ желательно получать всю необходимую информацию, используя только неразрушающие и экспрессные методы, не. требующие сложного и дорогого оборудования, предварительной подготовки образцов для исследования, измерений при криогенных температурах, и т. д. Из фотоэлектрических методов этим требованиям в полной мере удовлетворяет метод спектроскопии конденсаторной фотоэдс (КФЭ), в котором структура помещается в конденсатор с полупрозрачным прижимным электродом и регистрируется изменение потенциала на обкладках конденсатора при модулированном освещении структуры.
В последнее время большое внимание привлекают к себе также гетероструктуры с квантовыми точками (КТ), образующимися в результате самоорганизации в процессе гетероэпитаксии материалов с большим рассо-
-І-
тасованием кристаллических решеток (InAs/GaAs, Ge/Si и т. п.). В опубликованных работах энергетический спектр и электронные свойства КТ исследовались в основном методами люминесценции. Между тем большой интерес представляет исследования фотоэлектрических свойств гетероструктур с КТ, которые до настоящего времени не изучались.
Успехи технологии выращивания ГКЯ, благодаря которым последние стали вполне доступными, обусловили появление и развитие новой области применения таких гетероструктур - исследование процессов дефектОобразо-вания в полупроводниках. При этом встроенные в полупроводник КЯ используются в качестве зондов-индикаторов наведенных дефектов в материале ямы или в качестве эталона поглощения для определения концентрации дефектов в материале барьеров. Поскольку КФЭ значительно слабее зависит от концентрации дефектов, чем ФЛ, использование КФЭ для диагностики примесно-дефектного состава ГКЯ позволяет исследовать сильно дефектные, нелюминесцирующие структуры.
Основные задачи работы:
1. Исследование особенностей спектров КФЭ в гетероструктурах
GaAs/InGaAs с квантовыми ямами, связанных с параметрами КЯ, ее распо
ложением относительно барьера, эмиссией возбужденных фотоносителей из
КЯ и разработка методик определения энергетического- спектра, химическо
го состава, ширины и других характеристик КЯ на основе измерения спек
тров КФЭ.
-
Исследование особенностей спектров КФЭ гетероструктур с квантовыми точками и разработка методик определения параметров таких структур.
-
Исследование зависимости спектров КФЭ и ФЛ в ГКЯ от наведенной дефектности структур при имплантации ионов аргона, плазмохимиче-ском травлении и окислении поверхности ГКЯ и разработка методов определения примесно-дефектного состава ГКЯ на основе измерения спектров КФЭ.
Научная новизна.
1. Выяснена связь спектров КФЭ гетероструктур GaAs/InGaAs с квантовыми ямами со спектрами оптического поглощения КЯ и механизмом эмиссии из них фотовозбужденных носителей. Установлены важные для диагностики ГКЯ особенности спектров КФЭ гетероструктур с разными параметрами КЯ.
-г-
-
Впервые получены спектры КФЭ, планарной фотопроводимости и фототока барьеров Шоттки в гетероструктурах GaAs/InAs с квантовыми точками и выявлено влияние на них номинальной толщины слоя InAs. Разработана методика определения по спектрам КФЭ коэффициента поглощения, эффективного сечения захвата фотона и поверхностной плотности КТ.
-
Впервые экспериментально обнаружены эффекты Штарка и Бур-штейна-Мосса в квантовых точках.
-
Показана возможность определения концентрации наведенных дефектных центров в КЯ по спектрам КФЭ и установлена ее линейная зависимость от дозы облучения ГКЯ ионами аргона.
5. Обнаружено образование нескольких фотоактивных дефектных
центров при плазмохимическом травлении поверхности ГКЯ, имеющих
слоистое распределение по глубине. Определены энергии ионизации и кон
центрации некоторых из них. Обнаружен эффект водородной пассивации
центров рекомбинации в КЯ.
Практическая ценность.
-
Разработанные методы диагностики гетерострукгур с квантовыми ямами и точками на основе спектроскопии КФЭ могут быть использованы для неразрушающего контроля энергетического спектра, геометрических размеров и состава квантово-размерных областей и их неоднородностей как для исследовательских целей, так и в производственных условиях.
-
Разработанные методы определения концентрации дефектов в КЯ могут быть использованы для исследования влияния различных дефектооб-разующих технологических воздействий (плазмы, ионной имплантации и др.) на качество ГКЯ и приборов на их основе.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Нормированная фоточувствительность ГКЯ GaAs/lnGaAs в области поглощения КЯ, расположенных в достаточно сильном поле поверхностного барьера, 5\у не зависит от толщины и состава твердого раствора, дефектности гетерослоя, высоты поверхностного барьера, температуры в достаточно широкой области изменения этих параметров, квантовая эффективность поглощенного ямой излучения nw»!- Sw пропорциональна коэффициенту оптического поглощения КЯ и в ее спектре можно обнаружить все межзонные оптические переходы между уровнями размерного квантования в КЯ, а также экситонное поглощение.
-
Спектр КФЭ гетероструктур GaAs/InAs с квантовыми точками в области поглощения КТ имеет характерную пикообразную форму, которая
-S-
отражает 5-образный характер плотности состояний в ансамбле КТ, имеющих некоторую дисперсию по размерам. По этим спектрам можно определить коэффициент оптического поглощения, эффективное сечение захвата фотона и поверхностную концентрацию КТ.
-
Эффект Штарка в квантовых точках проявляется в уменьшении фоточувствительности (коэффициента поглощения) при межзонном поглощении КТ с увеличением электрического поля в барьере Шоттки.
-
Эффект Бурштейна-Мосса в квантовых точках проявляется в зависимости формы спектра поглощения КТ от заполнения их электронами.
-
Разработан метод определения концентрации наведенных дефектных центров в КЯ по спектрам КФЭ. При имплантации Аг+ с энергией 5 кэВ и дозами Ф<1013 см"2 концентрация наведенных центров EL2 в покровном слое ГКЯ и глубоких центров в КЯ линейно зависит от Ф.
-
При плазмохимическом травлении поверхности ГКЯ GaAs/InGaAs образуется несколько типов фотоактивных дефектных центров, имеющих слоистое распределение по глубине. Определены энергии фотоионизации и концентрации некоторых из них. Обнаружен эффект водородной пассивации центров рекомбинации в КЯ.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на IX Международной конференции студентов-физиков ICPS'94 (Санкт-Петербург, 1994); II Российской конференции по физике полупроводников (Санкт-Петербург, 1996); Всероссийской научной конференции "Структура и свойства кристаллических и аморфных материалов" (Нижний Новгород, 1996); Международной конференции "Nanostructures: Physics and Technololgy" (Санкт-Петербург, 1996); XXIII Международной конференции по физике полупроводников (Берлин, Германия, 1996) и опубликованы в работах [1-11].
Структура и объем, Диссертация состоит из введения и трех глав. Объем диссертации 162 стр. машинописного текста, включая 45 рисунков и 4 таблицы. Список литературы содержит 137 названий.
