Диагностика квантоворазмерных гетероструктур GaAs/InхGa1-xAs методом спектроскопии конденсаторной фотоэдс тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

\ \ _ На правах рукописи

ФИЛАТОВ Дмитрий Олегович

ДИАГНОСТИКА КВАНТОВОРАЗМЕРНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР ОаА8/1пхОа,_хА8 МЕТОДОМ СПЕКТРОСКОПИИ КОНДЕНСАТОРНОЙ ФОТОЭДС

01.04.10 — физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород, 1997

Работа выполнена на кафедре физики диэлектриков и полупроводников факультета прикладной физики и микроэлектроники Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Карпович И.А.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Демиховский В. Я.,

доктор технических наук, профессор Болдыревский П. Б.

Ведущая организация: ¡Институт физики микроструктур РАН, г. Нижний Новгород.

Защита состоится 12 марта 1997 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 063.77.03 при ННГУ им. Н. И. Лобачевского по адресу: г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ННГУ им. Н. И. Лобачевского.

Автореферат разослан « К7 »

1997 г.

Отзывы просим направлять по адресу: 603600, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп. 3. НИФТИ ННГУ.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

Чупрунов Е. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 (ЗООК, низкий уровень фотовозбуждения). Этими методами можно изучать нелюминесцирукицие 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-

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 гетеросгруктур 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 гетеросгруктур - 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 расположением относительно барьера, эмиссией возбужденных фотоносителей из КЯ и разработка методик определения энергетического- спектра, химического состава, ширины и других характеристик КЯ на основе измерения спектров КФЭ.

2. Исследование особенностей спектров КФЭ гетероструктур с квантовыми точками и разработка методик определения параметров таких структур.

3. 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-

2. Впервые получены спектры КФЭ, планарной фотопроводимости и фототока барьеров Шоттки в гетероструктурах СаАвЛпАв с квантовыми точками и выявлено влияние на них номинальной толщины слоя ГпАя. Разработана методика определения по спектрам КФЭ коэффициента поглощения, эффективного сечения захвата фотона и поверхностной плотности КТ.

3. Впервые экспериментально обнаружены эффекты Штарка и Бур-штейна-Мосса в квантовых точках.

4. 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 концентрации некоторых из них. Обнаружен эффект водородной пассивации центров рекомбинации в КЯ.

Практическая ценность.

1. Разработанные методы диагностики гетеросгрукгур 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.

2. 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:

1. Нормированная фоточувствительность ГКЯ СаАвЛпСаАз в области поглощения КЯ, расположенных в достаточно сильном поле поверхностного барьера, 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 г]\у~1- ^ 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.

2. Спектр КФЭ гетероструктур СаАзЯлАв с квантовыми точками в области поглощения КТ имеет характерную пикообразную форму, которая

-з-

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.

3. Эффект Штарка в квантовых точках проявляется в уменьшении фоточувствительности (коэффициента поглощения) при межзонном поглощении КТ с увеличением электрического поля в барьере Шоттки.

4. Эффект Бурштейна-Мосса в квантовых точках проявляется в зависимости формы спектра поглощения КТ от заполнения их электронами.

5. 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.

6. 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование выбора темы диссертационной работы и ее актуальности. Сформулированы цели и задачи работы, элементы научной новизны и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена исследованию спектров КФЭ ряда модельных ГКЯ 1пСаА5/СаА$: с одиночными КЯ, несколькими независимыми КЯ разной ширины и двойными асимметричными туннельно-связанными КЯ.

В начале главы дан краткий обзор состояния проблемы фотоэлектрической диагностики ГКЯ. Основное внимание уделено выяснению возможностей метода спектроскопии КФЭ в сравнении со спектроскопией ФЛ и другими фотоэлектрическими методами. Отмечается, что фотоэлектрические методы (среди которых для исследования ГКЯ наиболее часто применяется спектроскопия вентильной фотоэдс и фотопроводимости структур с встроенными в р-п переход или барьер Шоттки КЯ) использовались для исследования ГКЯ значительно меньше, чем оптические и люминесцентные.

При определенных условиях фотоответ пропорционален коэффициенту поглощения ГКЯ, так что в отношении информации об энергетическом спектре КЯ фотоэлектрические методы эквивалентны спектроскопии оптического поглощения и возбуждения ФЛ. Основное преимущество фотоэлектрической спектроскопии перед ФЛ состоит в том, что если в ФЛ обычно проявляются только оптические переходы в КЯ с минимальной энергией, то в фотоэлектрических спектрах - переходы между всеми уровнями в КЯ. Это дает возможность определять большее число параметров ГКЯ: ширину КЯ ЬгУ состав твердого раствора л, разрыв зон в гетропереходе и др.

Механизм фотоэлектрических эффектов в ГКЯ тесно связан с эмиссией фотовозбужденных носителей из КЯ и их переносом к границам структуры, в связи с чем их спектры содержат информацию не только о спектре поглощения КЯ, но и о транспортных, эмиссионных и рекомбина-ционных свойствах структур.

В предшествующих работах по спектроскопии КФЭ в ГКЯ анализ спектров КФЭ носил в основном качественный характер и касался главным образом энергетической структуры спектра. В данной работе основное внимание было уделено количественному анализу спектра фоточувствительности в области поглощения КЯ, в частности, связи фоточувствительности с коэффициентом оптического поглощения КЯ. Это потребовало выбора определенной характеристики фоточувствительности (нормированной фоточувствительности) и изучения ее зависимости от условий фотовозбуждения, температуры, параметров КЯ и др.

В п.2 описаны исследованные ГКЯ, методики исследований и аппаратура. ГКЯ СаА8ЯпхОа1.хА8 (х=0.25-0.35) с одиночными и двойными асимметричными КЯ с ¿2=1.5-9 нм были выращены на полуизолирующих и п+

подложках (001) СаАв методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении в системе ТМГ(ТМИ)-АвНз-Н2 Б.Н.Звонковым в Научно-исследовательском физико-техническом институте (НИФТИ) ННГУ.

Исследовались спектры КФЭ (при 300 и 77К) на поверхностном барьере ГКЯ. Этот способ особенно подходит для исследования структур на основе соединений А3В5, поскольку у этих материалов имеется хорошо выраженный барьер (обедненный слой) на поверхности и нет необходимости создавать специальный барьер. Также исследовались спектры ФЛ ГКЯ (при 77 и 300К), в частности, для независимого контроля отдельных параметров ГКЯ и сравнительного анализа диагностических возможностей обоих методов. Измерения спектров КФЭ и ФЛ проводились на автоматизированных установках, созданных на базе решеточных монохроматоров МДР-2 и МДР-3. ФЛ возбуждалась Не-Ые лазером. Регистрация спектров проводилась по стандартной селективной методике с синхронным детектированием.

В п.З приводятся результаты исследования зависимости спектров КФЭ от интенсивности модулированного монохроматического освещения Д1 и постоянной белой подсветки ¿с. Установлено, что в отсутствие подсветки на люкс-вольтовой характеристике КФЭ имеются два участка: линейный (при Л1<2-10" см"2с"') и логарифмический, при более сильном возбуждении, хотя в этой области и выполняется формальное условие малосигнального режима: &Уф<кТ/е. В линейном режиме нормированная фоточувствительность от КЯ которая определяется как отношение фоточувствительности в области поглощения КЯ к фоточувствительности в области собственного поглощения ваАБ не зависит от высоты поверхностного барьера. При подсветке КФЭ уменьшается равномерно по всему спектру пропорционально 1/Ьс, форма спектра и величина 5\у при этом не меняются. Важность этого результата,для диагностики ГКЯ состоит в возможности исключения влияния эффекта автоподсветки на спектры КФЭ выбором достаточно малой интенсивности фотовозбуждения. Линейный режим измерения также значительно повышает возможность выявления тонкой структуры спектра.

В п.4 приведены результаты исследования структур с одиночными КЯ. Установлено, что в спектре КФЭ достаточно совершенных ГКЯ проявляется экситонное поглощение в КЯ и все возможные оптические переходы между подзонами размерного квантования с номерами 1,2,3.

Параметры Ь^н х определялись стандартным методом подгонки теоретических значений энергий переходов, рассчитанных по теории [12], под

экспериментальные значения, определенные из спектров КФЭ, методом наименьших квадратов.

Установлено, что если КЯ расположены в поле поверхностного барьера Р>103 В/см, практически не зависит от Ьг, х и температуры в интервале 77-ЗООК и связана с коэффициентом поглощения КЯвыражением

' , {1)

Ло

ще т|о=0.25-0.5 - квантовая эффективность излучения для поверхностного барьера в области собственного поглощения СаАв,

1» = ,. 1/Т' (2)

- квантовая эффективность поглощенного КЯ излучения, тг - эффективное рекомбинационное время жизни носителей в КЯ с учетом всех каналов рекомбинации, те - время жизни носителей в КЯ относительно эмиссии. Последнее рассчитывалось по теории [13] с учетом механизмов термической и туннельной эмиссии через сниженный полем барьер. При расположении КЯ в барьере эмиссия происходит по туннельному механизму, т|\у«1 и не зависит от температуры. При расположении КЯ в квазинейтральной области структуры эмиссия происходит по термоактивационному механизму, и зависимость 5\у от температуры имеет активационный характер: ^-ехр(-ЕДТ). Энергия активации Еа определяется расстоянием от основного состояния тяжелых дырок до края У-зоны СаАв. В связи с этим фоточувствительность от глубоких КЯ в квазинейтральной области при 77К не обнаруживается.

В п.5 приведены результаты исследования структур с несколькими одиночными КЯ разной ширины. Установлено, что в спектре КФЭ проявляется фоточувствительность каждой КЯ. Предложена и экспериментально обоснована формула для раздельного определения фоточувствительности КЯ. Так, в области совместного поглощения двух КЯ

§2 = $<1+2) + > <3)

ще 5(1+2) - суммарная фоточувствительность от КЯ, и $2 - фоточувствительность от первой и второй КЯ, у учитывает вклад в фоточувствительность переходов с участием высших подзон (для исследованных ГКЯ у=0.5-2).

Показано, что сильная зависимость интенсивности ФЛ в КЯ от определяется зависимостью вероятности термоэмиссии дырок из КЯ от Ьг. Расщепление краев спектров КФЭ и пиков ФЛ от КЯ, наблюдавшееся на некоторых структурах, связано с наличием в КЯ крупномасштабных квазидискретных флуктуаций состава х, являющихся следствием сегрегации 1п на макроступенях при росте слоев на разориентированной подложке.

В структурах с двойными асимметричными КЯ наличие туннельной связи между КЯ проявляется в гашении фотолюминесценции в более узкой КЯ, тогда как в спектре КФЭ четко проявляются полосы фоточувствительности обеих ям с их тонкой структурой.

Вторая глава посвящена исследованию гетероструктур с квантовыми точками (ГКТ) СаАэЛпАБ. В п.1 приведен обзор методов получения и результатов исследований структуры, энергетического спектра и оптических свойств гетероструктур с так называемым самоорганизованным КТ, образование которых происходит по механизму Странски-Крастанова. Отмечается, что до настоящего времени энергетический спектр КТ исследовался исключительно люминесцентными методами, фотоэлектрические свойства ГКТ не изучались.

Характерной особенностью ФЛ в КТ является независимость ширины линий ФЛ от температуры. Это связано с тем, что плотность состояний в КТ имеет вид 8-функции Дирака и ширина линии ФЛ определяется естественным разбросом КТ по размерам.

В п.2 изложена теория поглощения света в КТ, разработанная В.Я.Алешкиным (ИФМ РАН, Н.Новгород) в совместных исследованиях и лежащая в основе разработанных методов фотоэлектрической диагностики ГКТ.

Связь между спектром поглощения ансамбля КТ, имеющих некоторое распределение по размерам, и плотностью состояний в ансамбле

устанавливается формулой

'(4)

где ¡Х|2 - интеграл перекрытия огибающих волновых функций в КТ, тп и г - эффективная масса электрона и диэлектрическая проницаемость материала барьера (СаАэ). Поверхностная концентрация КТ

2же п X

ст,

(5)

В п.З устанавливается связь нормированной фоточувствительности от КТ Бо(Ь\) с РоС/п»), Она выражается формулой, аналогичной (1). Из нее следует, что т.е. спектроскопия КФЭ является прямым мето-

дом исследования плотности состояний в ГХТ.

Если пик поглощения имеет форму гауссовой кривой с шириной Г на уровне 1/2 максимума, для него (5) можно записать в форме

где /1Ут - спектральное положение максимума пика поглощения КТ,

имеет смысл эффективного сечения поглощения фотона КТ. Выражения (6,7) удобны для практического применения, так как пользуясь ими, можно непосредственно по спектру КФЭ определять ар и Л^.

В п.4. описаны образцы для исследования. ГКТ ваАвДпАз были выращены методом МОС-щдридной эпитаксии при атмосферном давлении Б.Н.Звонковым в НИФТИ ННГУ. Отличительной особенностью ГКТ был их клиновидный профиль, толщина буферного и покровного слоев ваАБ и номинальная толщина встроенного между ними слоя 1пАз с КТ (1 линейно зависели от расстояния вдоль подложки, что достигалось выбором режима роста в ламинарном потоке без вращения подложки. Толщина покровного слоя определялась по С-У характеристикам барьеров Шоттки, на которых наблюдалось характерное плато, связанное с пересечением границей обедненной области слоя КТ.

В п.5 приведены результаты исследований зависимости спектров КФЭ (300 и 77К) и ФЛ (77К) от ^ в интервале 1.1-2.1 МЬ.

Характерной особенностью спектров КФЭ исследованных гетерост-руктур, отличающей их от спектров ГКЯ, является наличие ярко выраженного пика фоточувствительности в области ЙУ<Ев(СаА!5). Положение максимума пика Лут непрерывно смещается с ростом й в сторону низких эйер-гай в интервале 1.44-1.4 эВ (77К). Нормированная высота пика и его ширина Г«15 мэВ практически не зависят от й и температуры в интервале 77-

(6)

(7)

ЗООК. Указанные особенности свидетельствуют об образовании 0-мерных состояний (КТ) в слое 1пА$. Пикообразная форма спектра фоточувствительности отражает 8-образный характер плотности состояний в КТ. Пик имеет тонкую структуру, связанную с наличием в КТ уровней легких дырок.

На спектрах КФЭ видна также ступенчатая полоса, нормированная высота и положение края которой (1.47 эВ при 77К) не зависят от Наличие этой полосы связывается с наличием в ГКТ смачивающего слоя 1пАв толщиной »1 МЬ.

Установлено, что зависимости КФЭ в ГКТ от температуры и положения КТ относительно поверхностного барьера аналогичны установленным для КЯ.

Из спектров КФЭ по формулам (4-7) были определены Р(йуга)я10"2, Оо~Ю нм2 и Л^Ю" см"2, которые слабо зависят от с1. Значение близко к значению поверхностной концентрации электронов в слое КТ, определенному по С-У характеристикам, что указывает на значительное заполнение КТ электронами. Зная Л^ и объем 1пАз, который пошел на образование КТ (предполагалось, что он определяется толщиной <¿-1 МЦ, можно определить их линейные размеры, если известна форма КТ. Последнюю можно определить из сравнения теоретических зависимостей от размеров КТ, рассчитанных для определенной формы, с экспериментальными. Экспериментальные зависимости, полученные в данной работе, лучше всего описываются моделью (14], где форма КТ аппроксимировалась плоским конусом с углом при основании »12°, стоящим на смачивающем слое 1пАэ толщиной 1 МЬ. Для исследованной ГКТ диаметр КТ меняется от 6 до 13 нм при среднем расстоянии между КТ «30 нм, высота конуса - от 0.8 до 1.6 нм.

Независимость ширины Г и нормированной высоты пика КФЭ от <1 и температуры исключает возможность связи этих пиков с экситонами в смачивающем слое.

Электронно-микроскопическое исследование морфологии контрольного образца с КТ на поверхности (методом угольных реплик, оттененных ГЧ) при увеличении 3 Ю4 показало наличие на поверхности образований круглой в плане формы, отождествленных с КТ ТпАб. Их диаметр »15 нм и поверхностная плотность «5 Ю10 см"2 согласуются со значениями, полученными из спектров КФЭ. Размеры КТ в исследованных структурах и их дисперсия по размерам значительно меньше соответствующих параметров ГКТ,

приведенных в литературе, что связывается с особенностями технологии выращивания ГКТ.

В п.5 приводятся результаты исследований планарной фотопроводимости (ФП) в ГКТ, выращенных на полуизолирующей подложке. Установлено, что спектры ФП с точностью до постоянного множителя подобны спектрам КФЭ, что связано с барьерной природой ФП в исследованных ГКЯ: ФП и КФЭ определяются изменением соответственно ширины и высоты поверхностного барьера при освещении. В исследованных структурах коэффициент фотоэлектрического усиления в области поглощения КТ достигал 200. При освещении со стороны подложки, которая при этом служит в качестве фильтра, в спектре ФП остается один 6-образный пик от КТ. Эти результаты показывают возможность создания на основе ГКТ фотодетекторов с внутренним усилением и 8-образной спектральной характеристикой, ширина которой не зависит от температуры.

В п.7 приведены результаты прямых измерений спектров оптического поглощения ГКТ (77К) с целью исследования влияния на них заполнения КТ электронами. Спектры поглощения измерялись по дифференциальной схеме на пропускание. Заполнение КТ электронами изменялось путем переноса слоя КТ из квазинейтральной области структуры в поверхностный барьер утонением покровного слоя. Энергетическое положение максимумов к\т и ширина пиков поглощения КТ, расположенных в барьере, совпадают в пределах ошибки с энергией и шириной пиков ФЛ и КФЭ. Коэффициент поглощения в максимуме Р(/1Ут)к10"2 согласуется с результатом спектроскопии КФЭ. Пики поглощения КТ, расположенных в квазинейтральной области, обрезаны со стороны низких энергий, что объяснено следующим образом: в исследованной ГКТ при 77К уровень Ферми закреплен вблизи максимума плотности состояний, при этом КТ, в которых электронный уровень лежит ниже уровня Ферми, заняты двумя электронами и не участвуют в поглощении; Обнаруженное явление можно рассматривать как своеобразное проявление эффекта Бурштейна-Мосса в ГКТ.

В п.8 приводятся результаты спектроскопии фототока барьеров Шоттки на основе ГКТ (измерения проводились на тех же структурах, которые использовались для измерений С-У характеристик, структура освещалась со стороны подложки).

На спектрах фототока, как и на спектрах КФЭ, наблюдались пики, связанные с поглощением в КТ, и полосы, связанные с поглощением в мо-нослойной КЯ 1пАз. Спектральное положение максимумов и ширина пиков

-а-

на спектрах фототока были такими же, как и на спектрах КФЭ и оптического поглощения при 300 и 77К.

Достоинством метода спектроскопии фототока является возможность непосредственного измерения квантовой эффективности поглощенного КТ излучения г|о- Зависимости г|о от температуры и положения слоя КТ относительно границы обедненной области барьера, так же как и определенные из спектров фототока значения рт и согласуются с установленными методом КФЭ.

При увеличении электрического поля барьера Шоггки в КТ обнаружено уменьшение пика фоточувствительности от КТ. Эффект объясняется уменьшением интеграла перекрытия |Х|2 в (4). Одной из причин этого может быть поляризация огибающих волновых функций электрона и дырки в КТ, аналогичная поляризации экситона в эффекте Штарка в КЯ. Второй причиной может быть то, что в электрическом поле состояния в КТ становятся квазистационарными, что приводит к утечке плотности вероятности из КТ и, соответственно, также к уменьшению |Х|2. Для выяснения, какой из этих механизмов доминирует, необходимы дополнительные исследования.

Третья глава посвящена исследованию влияния дефектообразующих воздействий (имплантация Аг+, плазмохимическое окисление и травление) на поверхность ГКЯ СаАяЛпСаАз на спектры КФЭ и ФЛ этих структур и разработке методик определения энергетического спектра и концентрации наведенных дефектов в материале ВСЯ и барьера и глубины их проникновения вглубь структур.

В начале главы приведен обзор работ по исследованию дефектообра-зования в ГКЯ с использованием КЯ как зондов-индикаторов дефектов. В зарубежных работах для диагностики дефектного состояния КЯ применялась спектроскопия ФЛ. В связи с более- низкой чувствительностью КФЭ к дефектам использование КФЭ для исследования дефектообразования в КЯ представляет значительный интерес, Так как позволяет исследовать сильно дефектные, нелю'минесцирующие структуры.

В п.2 приведены результаты исследования влияния имплантации Аг+ на спектры ФЛ и КФЭ гетероструктуры с двумя КЯ в приповерхностной области. Имплантация Аг+ с энергией 5 кэВ проводилась при дозах облучения Ф=10"-1013 см"2. Для выявления влияния эффекта каналирования на глубину проникновения наведенных дефектов в одной серии опытов имплантация проводилась перпендикулярно к плоскости (001) структуры, а в другой - под углом, исключающим осевое и плоскостное каналирование.

Имплантация приводит к уменьшению 5w. при Ф>1012 см"2 5\у~Ф"'. Эффект объясняется радиационно-стимулированной диффузией первичных дефектов от поверхности к КЯ и образованием в КЯ дефектных комплексов, создающих глубокие уровни. Наблюдается также рост примесной фоточувствительности, связанной с образованием центров EL2 в покровном слое GaAs. По величине примесной фоточувствительности с использованием КЯ как эталона поглощения определена концентрация EL2 и показано, что она пропорциональна дозе облучения. При наличии каналирования ионов концентрация EL2 ниже, чем в его отсутствие, что связано с размыванием профиля первичных радиационных дефектов.

ФЛ в КЯ значительно сильнее зависит от Ф, чем КФЭ: /рь~Ф"3- Различие связывается с разной зависимостью скорости рекомбинации в КЯ от интенсивности фотовозбуждения: линейным для КФЭ и суперлинейным для ФЛ. Обнаружено сильное влияние эффекта каналирования на ФЛ в КЯ: при одной и той же дозе гашение ФЛ при наличии каналирования в ~100 раз больше, чем в его отсутствие.

Из зависимости определена дозовая зависимость концентрации

рекомбинационных центров в КЯ Л^Ф) с использованием соотношения

l/Tb=l + CN, . (8)

Установлено, что Ф и при прочих равных условиях она выше при наличии каналирования.

В п.З приведены результаты исследования влияние на спектры ФЛ и КФЭ плазмохимического окисления (ПХО) поверхности гетероструктуры с тремя КЯ в приповерхностной области. Обнаружено гашение ФЛ, обусловленное образованием дефектов на поверхности полупроводника, и дополнительное гашение ФЛ в первой КЯ, связанное с образованием дефектов в окрестности ямы на глубине -10 нм от поверхности. Концентрация рекомбинационных центров Nt в этой КЯ пропорциональна времени ПХО. Обнаружено образование фотоактивных дефектных комплексов, проявляющихся в примесной ФЛ с энергией максимума 1.285 эВ (77К) и в усилении полос примесной фоточувствительности с краями 1.0 и. 1.1 эВ (300К).

Отжиг образцов при 300°С приводит к восстановлению спектров ФЛ и КФЭ и к дальнейшему росту примесной фоточувствительности.

В п.5 рассмотрено влияние на спектры ФЛ и КФЭ плазмохимического травления (ПХТ) поверхности аналогичной ГКЯ в атмосфере На+10% С12.

-J3-

После стравливания поверхностного слоя 7 нм происходит полное гашение ФЛ в первой КЯ и усиление («в4 раза) ФЛ во второй КЯ. Гашение ФЛ связывается с образованием на поверхности структуры при ПХТ точечных дефектов, диффузией их вглубь структуры и образованием в КЯ центров рекомбинации. Первая КЯ задерживает первичные дефекты более аффективно, чем атомарный водород, что приводит к водородной пассивации центров безыалучательной рекомбинации во второй КЯ.

Обнаружено появление после ПХТ в спектрах ФЛ и КФЭ дополнительных пиков примесных ФЛ и полос примесной фоточувствительности, связанных с образованием дефектных комплексов & материале барьера. Локализация этих комплексов была установлена методом послойного жидкостного химического травления с измерением спектров ФЛ и КФЭ после снятия каждого слоя (толщиной 5-10 нм). Предварительно на контрольных образцах установлено отсутствие влияния жидкостного травления на КФЭ и ФЛ вГКЯ.

Установлено образование при ПХТ фотоактивных центров с уровнями Ес-1.20, 1.26 и 1.30 эВ (77К) на глубинах до ~10, 30 и 50 нм соответственно. Слоистое распределение дефектных комплексов с доминирующими дефектами разного типа связано с различием в коэффициентах диффузии первичных дефектов. Напряженный гетерослой, расположенный в диффузионной области, не экранирует полностью объем от проникновения дефектов, хотя и задерживает часть из них.

ВЫВОДЫ

1. При слабом межзонном возбуждении квантовых ям 1пхСа].хА8, расположенных в достаточно сильном поле поверхностного барьера в йаАз, фоточувствительность в области поглощения КЯ, нормированная по собственной фоточувствительности ваАв, 5уу практически не зависит от ширины ям Ьг, состава твердого раствора высоты поверхностного барьера в некотором диапазоне измерения этих параметров и от температуры в интервале 77-300К. Она равна произведению коэффициента Поглощения КЯ на отношение квантовых эффективностей излучения, поглощенного ямой и материалом барьера т|\у и щ соответственно. В спектре КФЭ проявляется эк-сигонное поглощение КЯ и все возможные оптические переходы между подзонами размерного квантования, что позволяет с высокой точностью определять их методом оптимизации.

-л-

2. Показано, что расщепление краев фоточувствительности и пиков ФЛ от КЯ, наблюдавшиеся на некоторых структурах, обусловлено крупномасштабными квазидискретными флуктуациями состава х, появление которых связывается с образованием макроступеней при росте слоев на разори-ентированной подложке.

3. Показано, что для КЯ, расположенных в электрическом поле поверхностного барьера, квантовая эффективность поглощенного ямой излучения в явлении КФЭ т)\у«1 и до определенного предела не зависит от дефектности материала КЯ. При переносе КЯ в квазинейтральную область она слабо уменьшается при 300К и резко падает при 77К в связи с переходом от туннельного к термическому механизму эмиссии неравновесных электронно-дырочных пар из КЯ.

4. В структурах с двойными асимметричными КЯ наличие туннельной связи между КЯ проявляется в гашении ФЛ в более узкой КЯ, тогда как в спектре КФЭ четко проявляются полосы фоточувствительности обеих ям с их тонкой структурой.

5. Установлено, что спектр КФЭ гетероструктур СаАвЯпАв с квантовыми точками (КТ) в области поглощения КТ имеет характерную пикооб-разную форму, которая отражает 5-образный характер распределения плотности состояний в КТ по энергии и может быть аппроксимирована функцией Гаусса. Ширина пиков (-15 мэВ) КФЭ и ФЛ одинакова, не зависит от номинальной толщины слоя 1пАб и температуры и определяется разбросом нанокристаллов 1пАв по размерам. Пики имеют тонкую структуру, связанную с переходами между уровнями электронов и легких дырок в КТ. Зависимости КФЭ в ГКТ от температуры и положения КТ относительно поверхностного барьера аналогичны установленным для КЯ.

6. По спектрам КФЭ, фототока и оптического поглощения установлено наличие в структуре монослойной КЯ ¡пАэ. Спектральное положение края фоточувствительности от КЯ не зависит от номинальной толщины слоя 1пАв и согласуется с теоретическим значением.

7. Разработана методика определения поверхностной концентрации КТ и эффективного сечения захвата фотона квантовой точкой по спектрам конденсаторной фотоэдс, фототока диодов Шогтки и спектрам оптического поглощения. Определенные по этим спектрам значения поверхностной концентрации КТ в исследованной структуре (»10" см"2), согласуются между собой и по порядку величины с данными электронной микроскопии на контрольном образце. В исследованных структурах поверхностная концентра-

ция KT не зависит от номинальной толщины слоя InAs и близка к поверхностной концентрации электронов в КТ, определенной C-V методом.

8. Показано, что зависимость положения пиков фоточувствительности в области поглощения КТ от номинальной толщины слоя InAs близка к теоретической зависимости в модели Бастарда и др., в которой форма на-нокристаллов аппроксимируется конусом с углом при основании «12°. Диаметр основания конуса меняется от 6 до 13 нм.

9. Показано, что спектры планарной фотопроводимости (ФП) в гете-роструктурах GaAsflnAs с КТ, выращенных на полуизолирующей подложке, подобны спектрам КФЭ. Обнаружен аномально большой коэффициент фотоэлектрического усиления в явлении ФП (=¡200 в области поглощения КТ). Показана возможность создания на основе ГКТ фотодетекторов с внутренним усилением и 5-образной спектральной характеристикой.

10. Обнаружен эффект Штарка в квантовых точках, проявляющийся в уменьшении фоточувствительности (коэффициента поглощения) при межзонном поглощении КТ с увеличением электрического поля в барьере Шоттки.

11. Обнаружен эффект Бурштейна-Мосса в квантовых точках, проявляющийся в зависимости формы спектра поглощения КТ от заполнения уровней в них электронами.

12. Разработана методика определения относительной концентрации наведенных рекомбинационных центров в материале квантовых ям по спектрам КФЭ. Установлено, что при имплантации Аг+ концентрация этих центров пропорциональна дозе облучения и при прочих равных условиях она выше при наличии эффекта каналирования ионов. Образование этих центров в квантовых ямах, удаленных от основной области первичного дефек-тообразования, связывается с радиационно-стимулированной диффузией первичных дефектов в объем и образованием дефектных комплексов в окрестности квантовых ям. Дозовая зависимость гашения ФЛ в КЯ при имплантации Аг+ ii влияние на него каналирования ионов значительно сильнее, чем для КФЭ. Различие связывается с разной зависимостью скорости рекомбинации в квантовых ямах от интенсивности фотовозбуждения: линейным для КФЭ и суперлинейным для ФЛ-

13. При имплантации Аг+ концентрация центров EL2 в основной области первичного дефектообразования пропорциональна дозе облучения. При наличии эффекта каналирования ионов концентрация ELZ ниже, чем в

-JS-

его отсутствие, что связано с размыванием профиля первичных радиационных дефектов в результате эффекта каналирования.

14. При плазмохимическом окислении (ПХО) поверхности ГКЯ наряду с поверхностным дефектообразованием, приводящим к увеличению скорости поверхностной рекомбинации, происходит образование дефектов в окрестности квантовой ямы на глубине ~10 нм, приводящее к дополнительному, гашению ФЛ в этой яме. Отжиг при 300°С приводит к восстановлению спектров ФЛ и КФЭ. Обнаружено образование при ПХО фотоактивных дефектных комплексов, проявляющихся в примесной ФЛ с энергией максимума 1.285 эВ (77К) и усилении полос примесной фоточувствительности с краями 1.0 и 1.1 эВ (ЗООК).

15. При плазмохимическом травлении поверхности ГКЯ в хлор-водородной плазме ВЧ-разряда обнаружено образование рекомбинационных центров в КЯ и фотоактивных дефектных центров в GaAs, проявляющихся в примесной фоточувствительности и фотолюминесценции. Определены энергии фотоионизации, поверхностная концентрация и область локализации некоторых из них. Обнаружен эффект водородной пассивации центров рекомбинации во второй от поверхности КЯ.

ЛИТЕРАТУРА

1. D.Filatov, H.Levina. Investigation of defect propagation in GaAs/InGaAs quantum well structure under plasma treatment. Proc. of ICPS'94 (St.-Petersburg, Russia, 1995) 52.

2. Филатов Д.О. Фотолюминесценция и конденсаторная фотоэдс в полупроводниковых гетероструктурах с туннельно-связанными квантовыми ямами. Материалы ВНКСФ-3 (Екатеринбург, 1995) с.129.

3. И.А.Карпович, Д.О.Филатов. Диагностика гетероструктур с квантовыми ямами методом спектроскопии конденсаторной фотоэдс. ФТП, 30, N10 (1996)

4. И.А.Карпович, Д.О.Филатов. Диагностика гетероструктур с квантовыми ямами методом спектроскопии конденсаторной фотоэдс. 2 Российская конференция по физике полупроводников (С.-Петербург) 1996. Тез .докл., т.2, с. 177.

5. И.А.Карпович, Д.О.Филатов, Ю.А.Данилов, В.В Сухорукое. Дефекто-образование и фотоэлектронные явления в гетероструктурах с квантовыми ямами GaAsflnGaAs. 2 Российская конференция по физике по-

-У?-

лупроводников (С.-Петербург, 1996) Тез.докл., т.2, с.178.

6. В.Я.Алешкин, Б.Н.Звонков, И.Г.Малкина, Е.Р.Линькова, И.А.Карпович, Д.О.Филатов. Фотопроводимость и конденсаторная фо-тоэдс в гетероструктурах CaAs/InAs с квантовыми точками. 2 Российская конференция по физике полупроводников (С.-Петербург, 1996) Тездокл., т.1, с.79.

7. В.Я.Алешкин, Б.Н.Звонков, И.Г.Малкина, Е.РЛинькова, И.А.Карпович, Д.О.Филатов, С.В.Морозов. Фотоэлектронные свойства гетероструктур CaAs/InAs с квантовыми точками. Всероссийская конференция "Структура и свойства кристаллических и аморфных материалов" (Н.Новгород, 1996) Тез. докл., с.53.

8. Б.Н.Звонков, Е.РЛинькова, И.Г.Малкина, Д.О.Филатов, АЛ.Чернов. Спектроскопия слоев InAs в GaAs в области перехода от слоевого к трехмерному росту. Письма в ЖЭТФ, 63, 418 (1996).

9. B.N.Zvonkov, I.G.Malkina, E.R.Lin'kova, V.Ya.Aleshkin, I.A.Karpovich, D.O.Filatov. Burnstein-Moss Effect in the Ga As/In As Quantum Dots. Abst. . Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" (St.Petersburg, Russia, 1996) 271.

10. B.N.Zvonkov, I.G.Malkina, E.R.Lin'kova, V.Ya.Aleshkin, I.A.Karpovich, D.O.Filatov, S.V.Morozov. Photocurrent Spectroscopy of A1 Shottky Diodes on GaAs/InAs Quantum Dot Heterostructures. Abst. Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" (St.Petersburg, Russia, 1996) 392.

11. V.Ya.Aleshkin, B.N.Zvonkov, I.G.Malkina, E.R.Lin'kova, I.A.Karpovich,

D.O.Filatov. Photoconductivity and Capacitive Photovoltage in GaAs/InAs Quantum Dot Heterostructures. Abst. ICPS-23, (Berlin, Germany, 1996) ThP-130.

12. В.Я.Алешкин, А.В.Аншон, Т.С.Бабушкина, Л.М.Батукова,

E.В.Демидов, Б.Н.Звонков, Т.С.Кунцевич, И.Г.Малкина, Т.Н.Янькова //В сб.: "Многослойные полупроводниковые структуры и сверхрешетки: диагностика, нелинейные высокочастотные эффекты". Н.Новгород: Изд. ИПФ АН СССР, 1990, с.152.

13. J.Nelson, M.Paxman, K.W.J.Bamham, J.S.Roberts, C.Button. IEEE J. Quantum Electron., 29, 1460 (1993).

14. J.-Y.Marzin, J.M.Gerard, A.Izrael, D.Barrier, G.Bastard. Phys.Rev.Lett., 73,716(1994).