Введение к работе
Актуальность темы. Современный этап развития полупроводниковой микро- и наноэлектроники характеризуется переходом к многослойным и низкоразмерным структурам, таким, как различного рода гетеропереходы, структуры с квантовыми ямами, сверхрешетки, квантовые нити и точки. Взаимодействие размерно-квантованных электронных состояний в сверхтонких эпитаксиальных слоях толщиной от единиц до сотен межатомных расстояний с близко расположенной поверхностью или интерфейсом во многом определяет электрические и оптические свойства таких объектов. В связи с этим принципиальное значение приобретает разработка методик исследования и контроля параметров таких слоев и структур. Применяемые для этих целей методы электронной микроскопии, Оже-спектроскопии и электронно-зондового анализа весьма трудоемки 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. Развиваемый в работе метод фотопропускания, как один из разновидностей методик модуляционной оптической спектроскопии, является неразрушающим, обладает высокой чувствительностью, не требует помещения образца в глубокий вакуум и сравнительно прост в практической реализации. Возможны измерения в течение всего периода выращивания структуры на различных этапах технологического процесса. Бесконтактность метода обеспечивает его использование для исследования реальных готовых приборных структур, а возможность проведения контроля в процессе выращивания позволяет получать информацию для корректировки и отработки технологии.
В качестве основных объектов исследования были выбраны структуры на базе полупроводниковых соединений А3В5. Интерес к данным материалам объясняется их широким использованием в современной нано- и оптоэлектронике. Широкие пределы изменения параметров решетки и ширины запрещенной зоны твердых растворов А3В5 позволяют создавать оптоэлектронные
приборы, работающие во всей видимой и ближней ИК-области спектра и являющиеся основными рабочими элементами в системах оптической передачи и записи информации.
Характер исследованных объектов позволил разделить работу на две основные части:
исследование квантово-размерных структур в системах Ga-In-P-As и Al-Ga-As;
исследование эпитаксиальных слоев фосфида галлия и твердых растворов арсенида-фосфида галлия.
Целью работы являлось изучение и развитие метода фотопропускания для исследования и диагностики эпитаксиальных слоев и квантово-размерных гетероструктур, его применение для определения энергетического спектра носителей заряда и качества реальных приборных структур на основе полупроводников А3В5, а также исследование методом фотопропускания состояний экситонов, связанных на изоэлектронных примесях в полупроводниках с непрямой структурой энергетических зон.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
модернизация и автоматизация экспериментальной установки и разработка методик регистрации спектров фотопропускания;
проведение цикла экспериментальных исследований образцов гетероструктур с различными исходными геометрическими и электрофизическими параметрами, полученными разными технологическими методами;
:..:- разработка на основе выбранных расчетных моделей методик определения параметров исследуемых объектов из анализа экспериментальных данных.
Научная новизна представленных в работе результатов заключается в следующем:
1. На основании исследования квантово-размерных гетероструктур с узкозонной активной областью показана эффективность метода фотопропускания для определения энергетического спектра носителей заряда и качества структур инжекционных лазеров в системах GaJm-xPyAsi-y/InP и AlxGai-xAs/GaxIni-xAs/GaAs. Обнаружено неоднородное уширение спектральных линий в структурах GaxIni-xPyAsi-y/InP,
выращенных методом жидкофазной эпитаксии, вызванное флуктуациями состава и ширины квантовой ямы.
-
В эпитаксиальных слоях GaP:N и GaAsi-xPx:N впервые наблюдалась сильная осцилляция в спектрах фотопропускания при энергии фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны. Показано, что она обусловлена квадратичным эффектом Штарка на экситоне, связанном на изоэлектронной примеси - азоте, в приповерхностном поле полупроводника. Отдельные атомы азота, на которых образуются связанные экситоны, могут выступать в качестве своеобразных атомарных датчиков определения напряженности электрического поля внутри эпитаксиалыюго слоя или структуры.
-
Обнаружено уширение спектров фотопропускания на связанных экситонах в твердом растворе GaAsi-xPx:N. Показано, что оно обусловлено эффектами беспорядка, вызванными микроскопическими флуктуациями состава твердого раствора.
-
Получены данные по фотоотражению слоев твердых растворов GaAsi-xPx непрямозонных составов. Показано, что сигнал фотоотражения обусловлен эффектом Франца-Келдыша в приповерхностной области объемного заряда полупроводника.
Практическая значимость работы:
- модернизирована и автоматизирована экспериментальная
установка и разработаны методики измерения спектров
фотопропускания при комнатной и пониженной температуре;
- разработаны методы диагностики структур полупро
водниковых инжекционных лазеров на двойной гетероструктуре
раздельного ограничения.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Фотопропускание является эффективным методом для
определения энергетического спектра носителей заряда и
контроля качества и параметров квантово-размерных структур с
узкозонной активной областью. Его применение для диагностики
рабочих структур инжекционных лазеров на двойной гетеро
структуре раздельного ограничения в системе GaxInixPyAsi-y/InP
позволило установить, что наблюдавшееся значительное неодно
родное уширение спектров (до 30...40 мэВ) вызвано флуктуациями
состава твердого раствора и ширины квантовой ямы.
2. Наблюдавшаяся впервые в GaP:N и GaAsi-xPx:N сильная
осцилляция в спектрах фотопропускания при энергии фотонов,
меньшей ширины запрещенной зоны исследуемых материалов, обусловлена квадратичным эффектом Штарка на экситоне, связанном на изоэлектронной примеси - азоте, в приповерхностном поле полупроводника.
З.Обнаруженное уширение спектров фотопропускания на связанных экситонах в твердом растворе GaAsi-xPx:N обусловлено эффектами беспорядка, вызванными микроскопическими флуктуациями состава твердого раствора.
Апробация результатов работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международных симпозиумах: "Nanostructures-95: physics and technology", "Nanostructures-96: physics and technology", (Санкт-Петербург, 1995, 1996 гг.), Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-98" (Зеленоград, 1998 г.) и научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ (1995-1997 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 3 статьи и 4 тезиса докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 115 наименований. Основная часть работы изложена на 85 страницах машинописного текста. Работа содержит 42 рисунка и 5 таблиц.
