Оптическая спектроскопия поверхности и внутренних границ раздела эпитаксиальных структур на основе соединений A3 B5 Альперович, Виталий Львович

Введение к работе

Актуальность темы. В современной физике полупроводников тонкослойные эпитаксиальные структуры, в том числе дельта-легированные слои, сверхрешетки и упруго-напряженные псевдо-морфные слои на несогласованных подложках, являются важным объектом научных исследований и базой для создания новых приборов. Электронные свойства таких структур в значительной мере определяются поверхностью и границами раздела между слоями. Исследование электронных свойств полупроводниковых границ включает, с одной стороны, выяснение природы и энергетического спектра локализованных поверхностных и интерфейсных электронных состояний, и с другой стороны, решение задачи о рассеянии электронов на границах. Поверхностные и интерфейсные электронные состояния определяют заряд на границах и, следовательно, величину встроенных электрические полей. Встроенные поля можно экспериментально определять по периоду осцилляции Франца-Келдыша, которые наблюдаются в электрооптических спектрах. Наиболее эффективным бесконтактным электрооптическим методом является спектроскопия фотоотражения. Актуальная задача метода фотоотражения состоит в разделении спектральных вкладов от поверхности и внутренних границ раздела тонкослойных эпитаксиалышх структур. Решение этой задачи позволит получать информацию о локализованных электронных состояниях на границах раздела и восстанавливать энергетические зонные диаграммы эпитаксиалышх структур.

Несмотря на интенсивные теоретические и экспериментальные исследования, вопрос о природе поверхностных состояний (ПС) в GaAs и других соединениях А³В⁵ до сих пор остается предметом дискуссий. Согласно теории [1,2], свойства ПС должны существенно зависеть от химической природы адсорбата, степени покрытия и атомной структуры границы раздела. Вместе с тем, в литературе долгое время доминировала модель универсальных поверхностных состояний, обусловленных собственными дефектами поверхности [3]. Согласно [3], эти дефекты возникают за счет энергии, выделяемой при

адсорбции, независимо от химической природы адсорбата. Эта модель позволяла объяснить наблюдавшееся во многих случаях закрепление уровня Ферми на поверхности полупроводников вблизи середины запрещенной зоны.

Вопрос о природе электронных состояний на границе полупроводников А³В⁵ с адсорбатами для ряда систем представляет не только академический, но и - практический интерес. В частности, актуальность границы раздела GaAs(Cs,0) обусловлена широким использованием фотокатодов с отрицательным электронным сродством (ОЭС) в фотоэлектронных приборах и в качестве источников ультрахолодных и спин-поляризованных электронов. Более глубокое понимание природы электронных состояний на этой границе необходимо для улучшения параметров традиционных GaAs(Cs,0) фотокатодов и разработки новых типов фотокатодов с ОЭС.

Поверхностное и интерфейсное рассеяние представляет большой интерес в связи с созданием полупроводниковых микроструктур и приборов, в которых перенос носителей заряда осуществляется в баллистическом режиме, а релаксация импульса и энергии происходит, в основном, на границах между слоями. Ранее в [4] был предложен спектроскопический метод изучения рассеяния импульса электронов в объеме и на поверхности полупроводника с помощью баллистического поверхностного фототока (ПФТ), возникающего благодаря явлению оптического выстраивания импульсов при возбуждении поляризованным светом [5]. Однако, из-за наложения эффектов диффузного рассеяния электронов на поверхности и внутренней границе эпи-таксиальной структуры, метод ПФТ неприменим для слоев с толщиной, меньшей длины свободного пробега по импульсу. В связи с этим, актуален поиск новых баллистических фотоэффектов, которые позволяют исследовать рассеяние как на поверхности, так и на внутренних границах раздела тонкослойных эпитаксиальных структур.

Цель данной работы заключалась в развитии оптических и фотоэлектрических методов модуляционной спектроскопии и в исследовании электронных свойств поверхности и границ раздела эпитаксиальных структур полупроводниковых соединений А³В⁵. Конкретные

задачи состояли в исследовании процессов рассеяния импульса и энергии электронов на границах; выяснении природы локализованных поверхностных и интерфейсных состояний; определении встроенных электрических полей на границах раздела и построении энергетических зонных диаграмм эпитаксиальных структур; разработке оптических методов диагностики электронных свойств и структурного совершенства границ; повышении квантового выхода, стабильности и спиновой поляризации полупроводниковых фотокатодов с отрицательным электронным сродством.

Объекты її методы решения. В качестве объектов исследования использовались эпитаксиальные структуры на основе соединений А³В⁵, в том числе чистые эпитаксиальные слои арсенида галлия, структуры со специальным профилем легирования, дельта-легированные GaAs и композиционные AlAs/GaAs сверхрешетки, а также псевдоморфпые слои твердых растворов InGaP и InGaAsP на подложках GaAs. Большая часть этих структур была выращена в Институте физики полупроводников СО РАН методами газофазной, жидкофазной и молекулярно-лучевой эпитаксии.

Механизмы рассеяния электронов в эпитаксиальных слоях изучались методом поляризацнонно-зависимых магинтоиндуцированных баллистических фотоэффектов. Использование этих эффектов дает возможность исследовать рассеяние импульса электронов как на поверхности, так и на границе эпитаксиального слоя с подложкой. Встроенные электрические поля определялись методами спектроскопии фототока и фотоотражеиия. Для разделения различных компонент спектров фотоотражения, обусловленных поверхностными электрическими полями и полями на внутренних границах раздела, применялись методики фазового подавления и Фурье-анализа осцилляции Франца-Келдыша. Электронные свойства границы раздела GaAs(Cs,0) в сверхвысоком вакууме, а также фотокатоды с отрицательным электронным сродством на основе GaAs и твердых растворов InGaAsP изучались с помощью методов спектроскопии фотоотражения, фототока, фотолюминесценции, поляризационно-

анизотропного отражения, квантового выхода фотоэмиссии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Экспериментально обнаружен новый фотоэффект - баллистический поверхностный фототок, индуцированный магнитным полем. Этот эффект позволил впервые определить диффузность рассеяния на границе эпитаксиального слоя арсенида галлия с полуизолиругощеи подложкой как функцию энергии электронов.

2. Предложены и развиты методы фазового подавления и Фурье-анализа осцилляции Франца-Келдыша, позволяющие разделять вклады в спектры фотоотражения от поверхности и внутренних границ раздела и восстанавливать энергетические зонные диаграммы тонкослойных эпитаксиальных структур.

3. Обнаружены транспортные резонансы фототока, обусловленные туннелированием электронов из контактной области на уровни Ванье-Штарка сверхрешеток AIAs/GaAs, а также междолинным Г-Х рассеянием электронов на гетерограницах. Предложена методика оценки шероховатостей гетерограниц по спектрам ванье-штарковских состояний в электрическом поле.

4. Обнаружены и исследованы обратимые изменения электронных свойств поверхности /7-GaAs при поочередной адсорбции цезия и кислорода при комнатной температуре, свидетельствующие о доминирующей роли поверхностных состояний, индуцированных адато-мами.

5. Предложен новый тип фотоэмиттеров для источников спин-поляризованных электронов на основе псевдоморфных напряженных слоев твердых растворов InGaP и InGaAsP. Обнаружены и объяснены нелинейности в зависимостях сдвига и расщепления валентной зоны напряженных слоев от величины деформации.

Научная и практическая значимость работы обусловлена важной ролью поверхности и границ раздела в формировании электронных свойств современных тонкослойных эпитаксиальных структур и приборов на их основе. Разработанные методы фазового и Фурье анализа позволяют определять встроенные электрические поля на поверхности и внутренних границах раздела и, таким образом, восста-

навливать зонные диаграммы различных эпитаксиальных структур. В частности, эти методы используются для бесконтактного определения встроенных полей в структурах для арсенид-галлиевых полевых транзисторов на диодах Шоттки, транзисторов с высокой подвижностью электронов на основе гетероперехода GaAs/AIGaAs, инжекционных гетеролазеров и электрооптических модуляторов света. Обнаруженный в работе магнитоиндуцированный баллистический фототок может быть использован для исследования рассеяния импульса электронов в объеме, на поверхности и внутренних границах раздела эпитаксиальных структур. Результаты по обратимым изменениям электронных свойств /7-GaAs при адсорбции цезия и кислорода позволяют пересмотреть представления о природе поверхностных состояний и механизмах закрепления уровня Ферми на поверхности полупроводников А³В⁵. Работа по исследованию свойств и совершенствованию параметров фотокатодов на основе напряженных твердых растворов InGaAsP послужила научной основой для использования таких фотокатодов в качестве эффективных источников спин-поляризованньгх электронов. Для InGaAsP фотокатодов получены рекордные значения параметра качества - произведения квантового выхода фотоэмиссии на квадрат спиновой поляризации электронов. В настоящее время такие фотокатоды уже используются для получения пучков поляризованных электронов в Университете Майнца (ФРГ) и в Институте ядерной физики Амстердама (Нидерланды). Планируется использование таких фотокатодов в ряде других научных центров.

Положения, выносимые на защиту:

I. Развитые в работе методы оптической спектроскопии, использующие явление оптического выстраивания импульсов электронов при возбуждении поляризованным светом, фазовый и Фурье-анализ электрооптических спектров, позволяют изучать механизмы поверхностного и интерфейсного рассеяния электронов, определять встроенные электрические поля на поверхности и внутренних границах раздела и восстанавливать энергетические зонные диаграммы полупроводниковых эпитаксиальных структур.

2. Обнаруженные мапштоиндуцированные поляризационно-зависимые фотоэффекты обусловлены оптическим выстраиванием и циклотронным поворотом импульсов фотоэлектронов в тангенциальном магнитном поле, а также рассеянием на границах полупроводника. При низких температурах фотоэлектроны с энергией ~30 мэВ пересекают сравнительно толстые (~10 мкм) эпитаксиальные слои GaAs в баллистическом режиме и диффузно рассеиваются на границе с подложкой.

3. В структурах с модулированным легированием тонкая структура спектров фотоотражения вблизи ширины запрещенной зоны обусловлена не квантово-размерными оптическими переходами в потенциале дельта-слоев и дельта-легированных n-i-p-i сверхрешеток, как считалось ранее, а осцилляциями Франца-Келдыша во встроенных электрических полях границ раздела буферных областей с подложками. Встроенное поле на границе с подложкой возникает благодаря закреплению уровня Ферми состояниями дефектов, возникающих на начальных стадиях молекулярно-лучевой эпитаксии.

4. Явление локализации Ванье-Шгарка позволяет оценивать степень гладкости гетерограниц в полупроводниковых сверхрешетках. В сверхрешетках AlAs/GaAs, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, границы являются псевдогладкими, то есть наряду с монотонным изменением толщины слоев по площади, присутствуют шероховатости гетерограниц высотой в один монослой и характерным латеральным размером не превышающим 10 нм.

5. Свойства границы раздела /з-GaAs с адсорбированными при комнатной температуре слоями цезия и кислорода определяются электронными состояниями, индуцированными адатомами, а не собственными дефектами поверхности.

6. Фотокатоды на основе упруго-напряженных псевдоморфных слоев InGaAsP/GaAs перспективны для использования в источниках спин-поляризованных электронов, поскольку обладают, по сравнению с арсенид-галлиевыми фотокатодами, более высокими квантовым выходом, стабильностью фотоэмиссии и параметром качества - произведением квантового выхода на квадрат спиновой поляризации.

Апробация работы. Результаты исследований, вошедших в диссертацию, были представлены на Всесоюзных и Всероссийских конференциях по физике полупроводников (Кишинев 1988, Киев 1990, Нижний Новгород, 1993, Зеленогорск 1996, Москва 1997), 3-ем Всесоюзном семинаре по электронным процессам в двумерных системах (Новосибирск 1989), Всесоюзном семинаре по горячим электронам в полупроводниковых структурах пониженной размерности (Звенигород 1990), 20-ой и 23-ей Международных конференциях по физике полупроводников (Салоники 1990, Берлин 1996), 5-ой и 6-ой Международных конференциях по сверхрешеткам и микроструктурам (Берлин 1990, Ксиан 1992), Международном симпозиуме по аналогиям в оптике и микроэлектронике (Эйндховен 1991), 5-ой и 6-ой Международных конференциях по модулированным полупроводниковым структурам (Нара 1991, Гармиш-Партенкирхен 1993), на 1-ой и 2-ой Международных конференциях по физике низкоразмерных структур (Черноголовка 1993, Дубна 1995), на 14-ой Европейской конференции по поверхности (Лейпциг 1994), Европейско-американском семинаре по оптическим методам исследования электронных материалов (Галле 1994), 5-ой Международной конференции по формированию полупроводниковых интерфейсов (Принстон 1995), на 10-ом и 12-ом Международных симпозиумах по спиновой физике высоких энергий (Нагоя 1992, Амстердам 1996) и других конференциях. Результаты работы докладывались также на семинарах в ИФП СО РАН (Новосибирск), ФТИ им А.Ф.Иоффе (Санкт-Петербург), Московском Госуниверситете, Фриц-Хабер Институте и Ган-Майтнер Институте (Берлин), Национальном Институте Стандартов и Технологии (Гейзерсбург), Политехнической школе (Палезо), Техническом и Свободном Университетах Берлина, а также в университетах Майнца, Бонна, Эрлангена и Нью-Йорка.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем работы составляет 288 страниц, включая 92 рисунка и 3 таблицы. Список цитированной литературы содержит 261 наименование.