Электронная структура границ раздела Cs/InGaN, Cs/GaN, Ba/GaN, Ba/AlGaN и формирование аккумуляционного слоя тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

ТИМОШНЕВ Сергей Николаевич

ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА ГРАНИЦ РАЗДЕЛА СБ/МаМ, СБ/ваМ, Ва/ОаМ, Ва/АЮаИ И ФОРМИРОВАНИЕ АККУМУЛЯЦИОННОГО СЛОЯ

Специальность:

01.04.10 - Физика полупроводников 4857577

Автореферат 2 С ОПТ 2011

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2011

4857577

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Санкт-Петербургском Академическом университете - научно-образовательном центре нанотехнологий РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Бенеманская Галина Вадимовна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Мамаев Юрий Алексеевич

доктор физико-математических наук Пронин Игорь Иванович

Ведущая организация: Российский Государственный Педагогический

Университет им. А.И. Герцена

Защита состоится "_5_" октября 2011 г. в 15 час. на заседании объединенного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДМ 002.269.01 при Учреждении Российской академии наук Санкт-Петербургском Академическом университете - научно-образовательном центре нанотехнологий РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул. Хлопина д.8, корп.З, СПб АУ НОЦНТ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПб АУ НОЦНТ РАН.

Автореферат разослан "_2_" сентября 2011 г.

Ученый секретарь объединенного совета ЛМ 002.269.01 доктор физико-математических наук

В.Г.Дубровский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Значительный интерес к исследованию электронных и структурных свойств полупроводниковых соединений на основе нитридов III группы обусловлен их большой практической значимостью. В последнее время нитриды III группы, а именно GaN, AIN, InN и их тройные соединения AlxGai.xN и InxGa|.xN, широко применяются для создания оптоэлектронных приборов, работающих в спектральном диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного, различных электронных полупроводниковых устройств, работающих при высоких температурах, напряжениях, частотах.

В настоящее время при переходе от микро- к наноэлектронике важным направлением является создание AlGaN/GaN-гетеропереходных полевых транзисторов с затвором Шоттки (HFET). Гстероструктуры AlGaN/GaN, InGaN/GaN являются наиболее перспективным объектом для создания мощных высокочастотных транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). Применение таких транзисторов может существенно улучшить параметры усилителей, модуляторов и других современных электронных устройств.

Благодаря большой значимости для современного развития нанотехнологий, исследование электронных и структурных свойств поверхности, интерфейсов и наноразмерных объектов является одним из актуальных направлений физики поверхности полупроводников. Применение нано- и гетероструктур на основе нитридов 111 группы для современных оптических и электронных устройств резко увеличивает роль поверхности и се влияние на характеристики приборов. Повышенные требования к знанию электронных свойств поверхности, интерфейсов и нанообъектов определяет актуальность данных исследований.

Создание и исследование новых наноразмерных объектов является важным как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. Наноразмерные объекты можно определить как системы, в которых, по крайней мере, одно измерение не превышает 100 нм. В настоящее время зарядовый аккумуляционный слой на свободной поверхности полупроводника является новым и актуальным объектом исследований. Аккумуляционный слой может сформироваться непосредственно вблизи поверхности полупроводника я-тлпа, когда приповерхностный изгиб зон соответствует обогащению, т.е. изгиб зон вниз. При этом минимум зоны проводимости на поверхности ЕСВм располагается ниже уровня Ферми £>, и образуется узкая потенциальная яма. При достаточно малой ширине приповерхностного потенциала происходит ограничение движения электронов в направлении нормали z к поверхности, т.е. наблюдается эффект размерного квантования в аккумуляционном слое, и электроны могут занимать несколько локальных квантовых уровней. Вдоль поверхности (.y-v) движение электронов не ограничено, и соответствующие компоненты энергии не квантуются. Такие электронные состояния являются вырожденным двумерным электронным газом (2DEG).

Аккумуляционный слой был недавно обнаружен для чистых поверхностей я-1пА5(110) [1], /7-ЫМ [2] и для ультратонких интерфейсов СвЛЯпАзО 10) [3], С5/и-1п8Ь(1 10) [4, 5]. Следует отметить, что все эти материалы - узкозонные 1п-содержащие полупроводники.

В ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН в нашей группе была начата работа по поиску способов формирования аккумуляционного слоя на поверхности широкозонного полупроводника л-Са1Ч(0001). Было обнаружено, что аккумуляционный слой может быть сформирован на границе раздела Сх/л-ОаЫ [6]. Таким образом, в настоящее время существует достаточно мало полупроводниковых материалов, на поверхности которых удалось наблюдать или искусственно создать аккумуляционный слой. Поэтому создание индуцированных аккумуляционных слоев на поверхности широкозонных полупроводников Ш-нитридов в ряду 1пСаМ, СаМ, АЮаЫ с изменяющейся шириной запрещенной зоны является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы. Целью работы является установление электронной структуры, определение процессов и закономерностей формирования границ раздела С5/л-Са1Ч(0001), Ва/м-Са1М(0001), Сб//7-1п() |Сз(} ^N(0001) и Ва/я-А1о.|6Сао.84^0001) в диапазоне субмонослойных С8 и Ва покрытий, определение условий для целенаправленной модификации электронных свойств границ раздела и увеличения квантового выхода фотоэмиссии, поиск способов создания аккумуляционного слоя, определение механизмов формирования потенциальной ямы аккумуляционного слоя, а также определение условий для управления энергетическими параметрами аккумуляционного слоя.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Провести исследования по поиску собственных поверхностных состояний атомарно-чистых поверхностей «-СаЫ(0001) и индуцированных адсорбцией поверхностных зон.

2. Исследовать и определить влияние субмонослойных покрытий С5 или Ва на электронную структуру границ раздела С5/«-1п0. | Оа„ ^N(0001), С8/«-ОаЫ(0001), Ва/;г-С1аЫ(0001) в условиях сверхвысокого вакуума Р ~10"й Па с использованием метода пороговой фотоэмиссионной спектроскопии (ПФС) при возбуждении л- и р-поляризованным светом (в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН).

3. Исследовать и определить влияние субмонослойных покрытий Ва на электронную структуру границ раздела Ва/«-СаМ(0001) и Ва//;-А10. к,бао 84^0001) в условиях сверхвысокого вакуума Р ~10"8 Па с использованием метода ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии (УФЭС).

4. Определить условия для целенаправленной модификации электронных свойств границ раздела и увеличения квантового выхода фотоэмиссии.

5. Установить способы создания аккумуляционного слоя, определить механизмы формирования потенциальной ямы аккумуляционного слоя для исследуемых границ раздела в диапазоне субмонослойных покрытий.

6. Определить условия для целенаправленного изменения изгиба зон,

энергетических параметров аккумуляционного слоя и плотности состояний

2DEG.

7. Провести модификацию теории пороговой фотоэмиссии Урбаха для

определения параметров аккумуляционного слоя.

Объекты и методы исследования. В настоящей работе впервые проведены исследования электронных свойств границ раздела Cs/H-In0.|Gao.9N(0001), Cs, Ba//;-GaN(0001) и Ba/«-Al„.u,Ga0.s4N(0001). Для разных систем использованы разные фотоэмиссионные методы: пороговая фотоэмиссионная спектроскопия при возбуждении поляризованным светом и ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия на синхротроне BESSY II, Германия. Граница раздела Ba/«-GaN(0001) исследована двумя методами.

Научная новнзна работы. Работа содержит ряд экспериментальных результатов, полученных впервые в мировой практике, а также ряд новых модельных представлений. Ниже перечислены наиболее важные из них:

1. Впервые исследована in situ в сверхвысоком вакууме Р -10 8 Па и установлена электронная структура границ раздела Cs/n-Ino.|Gaac,N(0001) и Ba/n-Al().i6Ga0.84N(0001) в диапазоне субмонослойных Cs или Ва покрытий.

2. Впервые для одних и тех же образцов /¡-GaN(0001) электронная структура границы раздела Ba/»-GaN(0001) исследована и определена двумя методами: УФЭС и пороговой фотоэмиссионной спектроскопией in situ в сверхвысоком вакууме Р ~10~8 Па.

3. Впервые обнаружена пороговая фотоэмиссия электронов из вырожденного 2D электронного газа в зоне проводимости при наличии аккумуляционного слоя на границе раздела Cs//?-In(, |Ga09N(0001). Фотоэмиссия возбуждается светом из области прозрачности w-Ino.1Gao.9N, что кардинально отличает ее природу от традиционной фотоэмиссии, для которой характерно возбуждение электронов валентной зоны. Определен высокий квантовый выход фотоэмиссии из аккумуляционного слоя, сравнимый с квантовым выходом традиционного фотокатода Cs/GaAs.

4. Впервые для образцов «-А1о.|6Са,ш^0001) и /7-Jno.|Gao.9N(0001) создан аккумуляционный слой за счет адсорбции Ва или Cs в диапазоне субмонослойных покрытий.

5. Определены условия для целенаправленного изменения электронной структуры, изгиба зон, плотности состояний 2DEG и энергетических параметров аккумуляционного слоя на поверхности n-Ino)Gao.9N(0001), n-GaN(OOOl) и /j-Alo.i6Gao.84N(0001) при адсорбции Cs или Ва.

6. Проведена модификация теории Урбаха для случая пороговой фотоэмиссии из аккумуляционного слоя, и найдены энергетические параметры аккумуляционного слоя с учетом экспериментальных данных.

7. Обнаружен новый эффект - появление осцилляционной структуры в спектрах пороговой фотоэмиссии границы раздела Cs//;-Ino.iGa,>.9N(0001) при возбуждении в области прозрачности /?-Ino.|Gao.9N(0001). Природа эффекта

обусловлена наличием аккумуляционного слоя и интерференцией Фабри-Перо в плоскопараллельной пластине образца.

8. Впервые обнаружено кардинальное изменение спектра фотоэмиссии из валентной зоны для полупроводников «-GaN(OOOl) и /2-AI()K,Gaox4N(0001) при адсорбции Ва, что обусловлено подавлением собственных поверхностных состояний.

9. Установлены значения энергий связи для собственных поверхностных состояний «-GaN(OOOl).

Практическая значимость работы.

Экспериментальные результаты по созданию вырожденного 2D электронного газа в аккумуляционном слое могут быть использованы при создании высоко-мощных электронных и оптоэлектронных устройств, работающих при повышенных температурах, токах и напряжениях. Полученные результаты могут быть использованы при разработке и создании транзисторов на гетероструктурах, например AlGaN/GaN, для получения высокой электронной подвижности.

Определены условия для формирования аккумуляционных слоев с высоким квантовым выходом фотоэмиссии в заданном спектральном диапазоне, что может быть использовано при создании селективных фотокатодов на основе нитридов III группы.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Аккумуляционный слой на поверхности полупроводников /7-In(uGa„.9N(0001), w-GaN(OOOl) и /;-AI(I UlGallMN(0001) создается за счет адсорбции Cs или Ва в диапазоне субмонослойных покрытий.

2. Управление энергетическими параметрами потенциальной ямы аккумуляционного слоя и плотностью состояний вырожденного 2D электронного газа осуществляется за счет изменения Cs или Ва субмонослойного покрытия на поверхности «-Ino.|Ga0.9N(0001), «-GaN(OOOl) и n-Alol6Ga(,84N(0001).

3. Фотоэмиссия из полупроводника н-типа при возбуждении ¿•-поляризованным светом в области прозрачности обусловлена наличием аккумуляционного слоя и происходит из вырожденного 2D электронного газа в зоне проводимости.

4. Процесс формирования электронной структуры границ раздела Ba//)-GaN(0001) и ВаЛг-А1(| К,Са(|М1Ч(0001) при субмонослойной адсорбции включает:

• кардинальное изменение положения края зоны проводимости на поверхности от положения выше уровня Ферми на атомарно-чистой поверхности до положения существенно ниже уровня Ферми с переходом от обеднения к обогащению электронами приповерхностной области и формированию аккумуляционного слоя,

• уменьшение энергетической ширины спектра фотоэмиссии из валентной зоны от -10 эВ для атомарно-чистой поверхности до ~1.5 эВ при увеличении Ва покрытия до монослоя,

• спад интенсивности фотоэмиссии с собственных поверхностных состояний подложки.

5. Осцилляционная структура в спектрах пороговой фотоэмиссии границы раздела Cs//7-Tn(). i Ga0.9N(0001) при возбуждении в области прозрачности подложки обусловлена наличием аккумуляционного слоя и интерференцией Фабри-Перо в плоскопараллельной пластине образца.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: 14 Международном симпозиуме "Nanostructures: Physics and Technology" (Санкт-Петербург, 2006), Всероссийских конференциях "Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы" (Москва, 2007; Санкт-Петербург, 2008; Москва, 2010), 17th International Vacuum Congress/13th International Conference on Surface Science/ International Conference on Nanoscience and Technology (Stockholm, 2007), Международном симпозиуме «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» (Ростов-на Дону, 2008, 2010), The 25th European Conference on Surface Science ECOSS-25 (Liverpool, 2008), X Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2008), Международной Зимней Школе по физике полупроводников (Санкт-Петербург - Зеленогорск, 2009), XIII Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника», (Нижний Новгород, 2009), 4-ой Всероссийской конференции «Химия поверхности и нанотехнология» (Хилово, 2009).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных работах, из них 8 статей из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий [А1-А8] и в 12 тезисах докладов [А9-А20].

Личный вклад автора. Все результаты, представленные в работе, получены соискателем лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель работы, научная новизна и практическая значимость работы. Представлены основные положения, выносимые на защиту, а также кратко излагается содержание диссертации.

Первая глава диссертации носит обзорный характер.

В §1.1 дано определение аккумуляционного слоя, описаны условия возникновения аккумуляционного слоя, рассматриваются энергетические и пространственные характеристики аккумуляционного слоя. Проведен анализ существующих экспериментальных и теоретических работ по исследованию аккумуляционного слоя. До наших исследований аккумуляционный слой был

обнаружен только на поверхности узкозонных 1п-содержащих полупроводников InAs, InSb, InN.

В § 1.2 обсуждается кристаллическая и электронная структура нитридов III группы: n-GaN(OOOl), H-InxGaKxN(0001) и »-AlxGa,.xN(0001). Описаны структурные особенности III-нитридов, представлена атомная структура GaN(OOOl) гексагональной модификации, приведены электронные характеристики: ширина запрещенной зоны, ионизационная энергия, работа выхода.

В § 1.3 рассмотрены имеющиеся экспериментальные данные исследований электронной структуры GaN(OOOl) с помощью метода ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии. Проведен анализ теоретических и экспериментальных работ по исследованию спектров фотоэмиссии из валентной зоны и поверхностных состояний для GaN(OOOl). Также представлена единственная работа по расчету плотности поверхностных состояний для GaN.

В §1.4 представлены результаты экспериментальных исследований адсорбции Cs на поверхности p-GaN(OOOl), которые в основном касаются понижения работы выхода и изменения электронного сродства на поверхности.

В §1.5 изложены принципы, на которых основываются методы фотоэмиссионной спектроскопии. Показано различие в процессах возбуждения фотоэмиссии из объема и из приповерхностной области. Рассмотрены два основных экспериментальных метода, используемых в работе для изучения электронной структуры полупроводников и границ раздела металл/полупроводник: ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия и пороговая фотоэмиссионная спектроскопия.

Использование метода ПФС позволяет проводить исследования двумя различными "зондами": 1) ¿--поляризованный свет позволяет сканировать приповерхностную область ~30 нм и исследовать квази-объемную фотоэмиссию, 2) нормальная компонента р-поляризованного света позволяет сканировать непосредственно поверхность ~0.5 нм и получать информацию о поверхностных электронных состояниях.

УФЭС с энергиями возбуждения 30-И 00 эВ позволяет исследовать фотоэмиссию из валентной зоны и остовных уровней.

В конце главы сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена описанию методики экспериментов.

В §2.1 описывается экспериментальная установка, созданная на базе универсальной сверхвысоковакуумной установки УСУ-4. Все эксперименты проводились в условиях сверхвысокого вакуума Р ~Ы0"8 Па. Атомы Cs или Ва наносились на поверхность образцов из стандартных источников. Образец InGaN подвергался отжигу при температуре ~450°С, а образцы GaN при температуре ~650°С.

В §2.2 приведена методика фотоэмиссионных измерений с помощью метода ПФС. Метод впервые использован для исследования фотоэмиссии из

аккумуляционного слоя в области приповерхностного изгиба зоны проводимости. Для возбуждения фотоэмиссии использовался монохроматический свет от лампы накаливания КГМ-300 в диапазоне 340 нм <Л< 900 нм, а также использовались гелий-неоновый (Л=632.8 нм, hv= 1.96 эВ) и азотный (2=337 нм, h г=3.68 эВ) лазеры мощностью не более 5 мВт. Измерялся интегральный фотоэмиссионный ток в диапазоне 10"5-И0''3 А, ошибка измерений не превышала 5%.

В §2.3 описана экспериментальная установка MUSTANG для фотоэмиссионных исследований методом УФЭС на синхротроне BESSY II, Германия. Все эксперименты проводились в условиях сверхвысокого вакуума Р ~3i0"* Па. Образцы GaN и AlGaN подвергались отжигу при температуре ~650°С.

В §2.4 описаны исследуемые образцы /7-1п0 |Gao.qN(000I), /;-GaN(0001) и /;-Alo,i6Gao,84N(0001). Представлены сведения о методах роста образцов, а также приведены данные атомно-силовой микроскопии по морфологии поверхности.

Также описана оригинальная методика определения потока адсорбированных атомов с относительной точностью до 10%, основанная на использовании эталонного образца W(110). Отметим, что 1 монослой (МС) соответствует концентрации адсорбата, при которой один адатом металла приходиться на один атом Ga на поверхности GaN(0001) 1x1, и равняется 9.9Т014 атом/см2. При малой концентрации In и Al для всех исследуемых образцов /?-Inn.|Ga„.9N(0001), n-GaN(OOOl) и /i-Al,U(,Gao84N(0001) 1 МС можно считать одинаковым.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных фотоэмиссионных исследований электронных свойств границ раздела Cs/i7-In01 Ga0.9N(0001) и Cs, Ba/«-GaN(0001), выполненных с помощью метода пороговой фотоэмиссионной спектроскопии.

В §3.1 приведены результаты исследований спектров пороговой фотоэмиссии hihv) при напылении Cs в субмонослойном режиме на //-Inn |Gan.4N(0001). Отметим, что ширина запрещенной зоны Ек ~ 3.1 эВ. Главным и необычным эффектом нанесения Cs покрытий является обнаружение объемной фотоэмиссии Д(/? v) с высоким квантовым выходом при возбуждении в области прозрачности образца, где невозможно возбуждение валентных состояний InGaN. Появление фотоэмиссии наблюдалось уже при незначительных субмонослойных Cs покрытиях -0.1 МС. Для чистой поверхности /¡-InGaN возбуждение фотоэмиссии электронов из валентной зоны возможно лишь при энергиях hv>6.5 эВ.

На рис. 1 представлены зависимости фотоэмиссионного тока Is(h v) для интерфейса Cs/n-InGaN при трех различных покрытиях Cs. Исследование спектров h{h\) показало, что адсорбция Cs приводит к резкому уменьшению фотоэмиссионного порога hvs, а также к появлению и в дальнейшем значительному увеличению интенсивности фотоэмиссионного тока. Спектральная полоса возбуждения фотоэмиссии достаточно узкая, при этом

максимальная полуширина соответствует ~0.5 эВ при Се покрытии 1 МС. В коротковолновой области спектр резко обрывается, так что при энергиях возбуждения /71/>3.3 эВ фотоэмиссия не наблюдается. По мере увеличения покрытия происходит увеличение квантового выхода фотоэмиссии, значительный сдвиг всего спектра и, следовательно, фотоэмиссионного порога в низкоэнергетическую область. Неординарность обнаруженного эффекта заключается в том, что энергия порогов уменьшается настолько, что оказывается в видимой области спектра, т.е. в области прозрачности образца.

200

Рис. 1. Спектры пороговой фотоэмиссии /¡{/и') для различных Се покрытий на поверхности /;-1пОаМ: 1 - 0.25 МС, 2 - 0.60 МС,3 - 1.00 МС

ш

£Г>

^ 3.0

Рн

о &<

о К

п о н о

е

25

2.0

а

\Ск/я-1пСа№0001) С5/итСаМ(0001)

1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

Степень помытая, МС

Рис. 2. Кривые изменения фотоэмиссионных порогов для интерфейсов СзЛ;-1пОаМ(0001), Се, Ва/я-ОаМ(0001) как функции степени субмонослойного покрытия Се или Ва

Для Св/и^пваМ порог резко уменьшается с ростом Се покрытия и достигает минимального значения 1.45±0.05 эВ при покрытии -0.7 МС (рис. 2).

В §3.2 приведены результаты исследований спектров пороговой фотоэмиссии /¿(/г у) для С'5//г-СаЫ в диапазоне субмонослойных Сб покрытий 0.1+1.0 МС для двух образцов Са1Ч(0001) и-типа различного структурного совершенства. Отметим, что ширина запрещенной зоны Ец = 3.4 эВ. Показано, что с ростом Сб покрытия обнаруживается появление фотоэмиссии при возбуждении в области прозрачности и наблюдается резкое уменьшение фотоэмиссионного порога Эти эффекты наблюдаются для всех

исследуемых образцов независимо от их структурного совершенства. Фотоэмиссия /¿(/? V) возбуждается в области прозрачности СаК где невозможно возбуждение валентных состояний.

По мере увеличения Сб покрытия происходит увеличение квантового выхода фотоэмиссии, значительный сдвиг всего спектра и, следовательно,

фотоэмиссионного порога в низкоэнергетическую область. Энергия порогов уменьшается настолько, что оказывается в видимой области спектра, т.е. в области прозрачности СаМ Минимальное значение энергии порога /? соответствует 1.40±0.05 эВ (рис. 2).

В §3.3 представлены результаты исследования спектров пороговой фотоэмиссин I') при напылении Ва на поверхность /?-СаМ(0001). Как и при адсорбции Сб, в этом случае был обнаружен аналогичный эффект: появление фотоэмиссии в области прозрачности, уменьшение фотоэмиссионного порога Иу5 и увеличение квантового выхода фотоэмиссии с ростом Ва покрытия. Основным является то, что порог фотоэмиссии И к? резко сдвигается в область прозрачности образца GaN при увеличении субмонослойного покрытия Ва. На рис. 2 приведена кривая изменения фотоэмиссионного порога Ьу5 как функция Ва покрытия. Уменьшение энергии порога не столь значительно, как в случае адсорбции Сз. Минимальное значение порога /г для GaN соответствует 1.95+0.05 эВ при Ва покрытии -0.4 МС.

В §3.4 показано, что фотоэмиссия при возбуждении в области прозрачности 1пОаЫ или СаЫ не может быть обусловлена возбуждением электронов валентной зоны. Обнаруженный нами эффект свидетельствует о принципиальном отличии природы фотоэмиссии для интерфейсов Сб/и-1по. : ваадТ^ООО1), С5/;г-СаЫ(0001) и Ва/и-Са1М(0001) от фотоэмиссии для всех известных полупроводниковых фотокатодов, для которых характерно возбуждение электронных состояний валентной зоны. Отметим, что пороговая фотоэмиссия является квази-объемной и соответствует сигналу из приповерхностной области -30 нм образцов. Показано, что для интерфейсов СБ/л-ЫЗаМ, Ся/и-ваМ и Ва/и-ваИ фотоэмиссия происходит из квази-металличсских состояний вблизи уровня Ферми. Следовательно, порог фотоэмиссии соответствует работе выхода. При этом кардинально изменяется положение края зоны проводимости на поверхности от положения выше уровня Ферми на атомарно-чистой поверхности до положения существенно ниже уровня Ферми с переходом от обеднения к обогащению электронами приповерхностной области.

Совокупность результатов свидетельствует о том, что впервые обнаружена "нетрадиционная" фотоэмиссия, природа которой связана с возбуждением электронов из зоны проводимости в случае формирования в узкой приповерхностной области ;?-1пСаЫ или и-СаК вырожденного 20 электронного газа. Таким образом, обнаружено образование зарядового аккумуляционного слоя. При этом формирование аккумуляционного слоя индуцируется адсорбцией и происходит за счет приповерхностного изгиба зон, когда край зоны проводимости на поверхности сдвигается ниже уровня Ферми (рис. 3). Аккумуляционный слой на поверхности /;-1п0,|Оао.9М(0001) создан впервые.

Определено, что для одного и того же образца максимальный квантовый выход фотоэмиссии из аккумуляционного слоя при энергии возбуждения ¡IV -3.0 эВ для границы раздела Св/п-ОаЫ может превосходить в -4 раза квантовый

выход фотоэмиссии для границы раздела Ва//;-ОаЫ. Установлено, что квантовый выход фотоэмиссии из аккумуляционного слоя сравним с квантовым выходом традиционного фотокатода Ся/СаАх и зависит от совершенства образца. Формирование аккумуляционного слоя наблюдается для всех исследованных образцов 1пваК и СаЫ независимо от их структурного совершенства.

Е Ги

Есвм

вакуум ^

О

Рис. 3. Схематическое изображение приповерхностного изгиба зоны проводимости при формировании аккумуляционного слоя с уровнем размерного квантования (а). Плотность состояний /; для уровня Е/ в плоскости поверхности дт (б)

В §3.5 предложена модель пороговой фотоэмиссии из аккумуляционного слоя. Проведена модификация теории Урбаха для случая пороговой фотоэмиссии из локальной зоны на уровне Ферми (рис. 36). Выполнены расчеты матричного элемента фотоэмиссии для границ раздела С5/«-1пСаЫ(0001), С5/и-Оа]Ч(0001), Ва//?-СаЫ(0001) в диапазоне субмонослойных покрытий. Определено положение первого уровня размерного квантования в аккумуляционном слое. Установлено, что энергетическими параметрами потенциальной ямы аккумуляционного слоя можно целенаправленно управлять, изменяя степень субмонослойного покрытия адсорбата.

На рис. 4 приведены экспериментальный спектр фотоэмиссии Д(/г и) (кривая 1) для Ва покрытия 0.4 МС на и-ваИ и рассчитанный спектр фотоэмиссии (кривая 2), который хорошо совпадает с экспериментальным. Получена спектральная зависимость квадрата модуля матричного элемента фотоэмиссии \Ms\~ (кривая 3).

В §3.6 обсуждаются результаты, полученные при развитии исследований фотоэмиссии из поверхностных зон, индуцированных адсорбцией Се и Ва на поверхности и-СаМ(0001). Детальный анализ спектров поверхностной фотоэмиссии //.(/г 1')/Д(Л V) в широком диапазоне субмонослойных покрытий показывает, что для адсорбции как Сб, так и Ва, начиная с покрытий ~0.3 МС, ниже уровня Ферми £/.■ последовательно начинают формироваться индуцированные поверхностные зоны.

Установлено, что индуцированные адсорбцией Ва поверхностные зоны расположены ниже уровня Ферми на 0.1 эВ и 0.3 эВ и имеют полуширину -0.05 эВ. Положение Сз-зон относительно уровня Ферми соответствует 0.35 эВ и 0.50 эВ. Полуширина Св-зон составляет 0.18 эВ и 0.5 эВ, соответственно, что значительно превосходит полуширины зон для бариевых покрытий.

ч

о 20(1

©

2.5 3.0

hv, эВ

3.5

Рис. 4. Спектр фотоэмиссии /¿-(/п') для интерфейса Ва//?-ОаМ(ОСЮ1) при Ва покрытии 0.4 МС - 1, рассчитанный спектр фотоэмиссии - 2, квадрат модуля матричного элемента фотоэмиссии |Л/$|2 - 3

n-gan(oool) ер j « i а

\L --,-.-к-4 ! »

е,эв

Рис. 5. а - теоретический спектр плотности незаполненных поверхностных состояний Оа-оборванных связей я-ОаЫ [7], б, в - спектры //>//5 поверхностной фотоэмиссии для Ва/п-ОаИ, Ся/н-СпЫ, соответственно

На рис. 5а представлен рассчитанный спектр плотности незаполненных поверхностных состояний оборванных связей Ga на поверхности n-GaN(OOOl) [7]. На рис. 56 и 5в приведены полученные спектры фотоэмиссии из поверхностных зон, индуцированных адсорбцией Ва и Cs, соответственно. Анализ теоретического и экспериментальных спектров показывает, что природа индуцированных Cs (Ва) зон связана с заполнением поверхностных состояний оборванных связей Ga при взаимодействии с адсорбированными атомами, что приводит к заполнению и сдвигу поверхностных зон ниже EF.

В §3.7 рассмотрена осцилляционная структура в спектрах пороговой фотоэмиссии границ раздела Cs/M-In0.|Gao.9N(0001), Cs/«-GaN(0001) и Ba/«-GaN(0001). Впервые в спектрах пороговой фотоэмиссии для Cs/«-InGaN обнаружено появление ярко выраженных осцилляций фотоэмиссионного тока. На рис. 6 приведены спектральные зависимости фотоэмиссионного тока hihv) (кривая 1) и коэффициента отражения света R^hv) (кривая 2), полученные in situ для границы раздела Cs/w-InGaN(0001) при Cs покрытии 0.7 МС. Видны

ярко выраженные осцилляции в обоих спектрах. Отметим, что максимумы коэффициента отражения света совпадают с минимумами фототока.

Следует подчеркнуть, что как сама фотоэмиссия, так и эффект осцилляции в спектрах фотоэмиссии обнаружены при возбуждении образца 1пСаМ в области прозрачности. Исходя из экспериментальных результатов, можно заключить, что природа осцилляций в спектрах фотоэмиссии связана, во-первых, с интерференцией света из области прозрачности, возникающей в плоскопараллельной пластине образца 1пОаК или Са]\1, и, во-вторых, с наличием в приповерхностной области 20ЕС в аккумуляционном слое (рис. 7). При этом фотоэмиссия из аккумуляционного слоя (при условии Ъу>(р) может возбуждаться светом, падающим как со стороны вакуума, так и многократно отраженным в плоскопараллельной пластине 1пОаЫ или СаЫ (рис. 7).

0.4

н

° 0.2

ч

0.0

Рис. 6. Осцилляции в спектре пороговой фотоэмиссии ¡¡(Ьу) (кривая 1) и спектре отражения Я^у) (кривая 2) для интерфейса Сз/и-ЬчОаЫ при С я покрытии 0.7 МС

Рис. 7. Схема интерференции Фабри-Перо при наличии аккумуляционного слоя АС на поверхности

hv, эВ

По оценке, сделанной для интерференции Фабри-Перо в плоскопараллельных пластинах различной толщины, периодам осцилляций ö = 0.080 эВ, д = 0.070 эВ и 5 = 0.065 эВ соответствуют следующие толщины образцов 3.32 мкм (InGaN), 3.83 мкм (GaN образец №1) и 4.15 мкм (GaN образец №2). Приведенные оценки хорошо согласуются с данными о толщине эпитаксиальных слоев InGaN и GaN, полученными в процессе роста.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований электронных свойств границ раздела Ba/«-GaN(0001) и Ba/«-Al() |6Gao84N(0001), выполненных на синхротроне BESSY II, Германия с помощью метода ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии.

В §4.1 приведены данные фотоэмиссионных исследований УФЭС образца M-GaN(OOOl) и границы раздела Ba/n-GaN(0001) при различных энергиях возбуждения 60+400 эВ. Данный образец был также исследован с помощью метода пороговой фотоэмиссионной спектроскопии. На рис. 8 представлен обзорный спектр, полученный для чистого образца «-GaN(OOOl ) при энергии

возбуждения 400 эВ. Видно, что в спектре доминируют пики остовных уровней О а 3 с/ и С а 3/7 при незначительной интенсивности спектра валентной зоны УВ. Поэтому структуру валентной зоны /г-СаЫ следует исследовать при меньших энергиях возбуждения Лу = 80+130 эВ.

Установлено, что ширина спектра фотоэмиссии из валентной зоны чистого л-Са!Ч(0001) соответствует -10 эВ (рис. 9). Ширина и форма полученных нами спектров фотоэмиссии хорошо совпадают с экспериментальными данными других авторов, например [8]. При этом значительно большую ширину спектра фотоэмиссии из валентной зоны по сравнению с теоретическими расчетами авторы объясняют наличием в этой области собственных поверхностных состояний.

Кинетическая энергия, эВ

Рис. 8. Спектры нормальной фотоэмиссии для чистых образцов GaN и АЮаМ, энергия возбуждения 400 эВ

На рис. 9 (кривая 1) представлен спектр фотоэмиссии из валентной зоны для чистой поверхности и-СаЫ(0001). Особенность на низкоэнергетическом плече максимума валентной зоны в запрещенной зоне /г-ОаН вблизи Еуш была обнаружена ранее другими авторами и связана с собственными поверхностными состояниями подложки [9].

Эволюция спектра фотоэмиссии из валентной зоны л-баИ при увеличении Ва покрытия представлена на рис. 9 (кривые 2-5). Обнаружено, что наиболее сильные изменения наблюдаются в области энергий связи 0+10 эВ по отношению к Еувм. В этой области интенсивность фотоэмиссии резко уменьшается при увеличении бариевого покрытия. Обнаружен новый эффект -кардинальное уменьшение ширины спектра валентной зоны до -1.5 эВ при Ва покрытии 0.6 МС. Анализ показывает, что этот эффект сужения спектра вызван подавлением ряда собственных поверхностных состояний ваК Полученная

малая ширина спектра ~1.5 эВ валентной зоны /г-ОаЫ хорошо согласуется с теоретическими расчетами [8]. Установлено, что адсорбция Ва на и-СаМ(00()1) позволяет выявить положение собственных поверхностных состояний при энергиях связи 2.9 эВ, 5.0 эВ и 6.9 эВ относительно края валентной зоны Еувм (рис. 9).

Ва/я - СяЛ(0001)

■"i-1---1-1-1-1-1-1-1-1-

8 6 4 2 0 3

Энергия относительно Еувм, эВ

Рис. 9. Спектры нормальной фотоэмиссии из валентной зоны Ва/и-ОаК^ОООО при Ва покрытиях: 1 - чистый образец, 2 - 0.3 МС, 3 - 0.4 МС, 4 - 0.5 МС, 5 - 0.6 МС. Энергия фотонов 120 эВ

10эВ Ва/)г-0а>](0001) 1IV = 120эВ^лс_^з

V У3.8 эВ \к АС ?

2.9 эВ

4 3 2 10

Энергия связи относительно Ер, э!

Рис. 10. Спектры нормальной фотоэмиссии для Ва//;-ОаЫ и появление пика ниже £/.: 1 -чистый образец, 2 - 0.5 МС, 3 - 0.6 МС. Энергия фотонов 120 эВ. Стрелками указано положение края валентной зоны Еувм

Впервые для адсорбции Ва на поверхности //-СаЫ методом УФЭС обнаружено, что при покрытии 0.5 МС возникает новый фотоэмиссионный пик в запрещенной зоне вблизи уровня Ферми (рис. 10). Одновременно с возникновением пика происходит значительное увеличение энергетического интервала Еувм ~ ЕР = 3.8 эВ по сравнению с исходным значением для чистой поверхности Еувм - Ер-= 2.9 эВ. Обнаружено, что дальнейшее увеличение Ва покрытия до 0.6 МС приводит к изменению положения края валентной зоны Еувм относительно уровня Ферми до 4.0 эВ. Такое неординарное поведение свидетельствует об изгибе зон вниз и доказывает образование аккумуляционного слоя. Таким образом, природа нового фотоэмиссионного пика на уровне Ферми связана с созданием 2ЭЕС в аккумуляционном слое, индуцированном адсорбцией Ва.

В процессе формирования границы раздела Ва//г-СаЫ(00()1) с ростом Ва покрытий до 0.3 МС наблюдается уменьшение интенсивности фотоэмиссии остовного уровня ва 3с1 в ~5 раз.

В §4.2 приведены данные фотоэмиссионных исследований УФЭС образца л-А1о. |бвао 84^0001) и границы раздела Ва/и-А!,, к,СаПк4М(0001) При различных

энергиях возбуждения 60+400 эВ. На рис. 8 представлен обзорный спектр, полученный для чистого образца /;-АЮаМ(0001) при энергии возбуждения 400 эВ. В спектре доминируют пики остовных уровней ва Зс1, А1 2р, Са Ър и А1 Ъ при незначительной интенсивности спектра валентной зоны УВ. Как и для ОаИ структуру валентной зоны и-АЮаЫ наиболее эффективно исследовать при энергиях возбуждения /гу = 80+130 эВ.

Установлено, что ширина спектра фотоэмиссии из валентной зоны чистого л-АЮа>)(0001) соответствует -10 эВ. Ширина и форма полученных нами спектров фотоэмиссии из валентной зоны имеют сходную структуру со спектрами валентной зоны н-Са1Ч.

При адсорбции Ва на поверхности и-АЮаК наблюдаются два наиболее ярких эффекта: 1) впервые для /^AlGaN обнаружено появление нового фотоэмиссионного пика в запрещенной зоне вблизи уровня Ферми. Природа пика связана с созданием 20ЕС в аккумуляционном слое, индуцированным адсорбцией Ва; 2) обнаружено сильное сужение спектра фотоэмиссии из валентной зоны до -1.5 эВ за счет подавления собственных поверхностных состояний.

В процессе формирования границы раздела Ва/н-АЮаИ обнаружено резкое изменение положения края валентной зоны ЕУт относительно уровня Ферми от 3.2 эВ для чистой поверхности и-АЮаЫ до 4.1 эВ для Ва покрытия

0.6.МС. Подчеркнем, что величина Еувм - £> = 4.1 эВ заметно превосходит ширину запрещенной зоны, которая для Alo.i6Gao.g4N составляет Е,, = 3.7 эВ. Такое неординарное поведение возможно при формировании аккумуляционного слоя в узкой области вблизи поверхности образца. При адсорбции Ва на поверхности я-АЮа1Ч(0001) наблюдается также резкое уменьшение интенсивности пиков остовных уровней Оа За', А12р.

В заключении сформулированы основные результаты:

1. Установлено положение собственных поверхностных состояний н-СаЩНХП), расположенных при энергиях связи 2.9 эВ, 5.0 эВ и 6.9 эВ относительно края валентной зоны £Увлл

2. Обнаружены поверхностные зоны, индуцированные адсорбцией Сэ и Ва, на «-Са1Ч(0001). Положение Сб-зон относительно £> соответствует 0.35 эВ и 0.50 эВ. Положение Ва-зон относительно Ег соответствует 0.1 эВ и 0.3 эВ.

3. Впервые наблюдалась «нетрадиционная» пороговая фотоэмиссия для границы раздела СУ/г-[п0. |Са,)9М(000[) при возбуждении ^-поляризованным светом в области прозрачности 1пОа1М. Установлено, что природа фотоэмиссии связана с возбуждением электронов из 2БЕО в аккумуляционном слое в зоне проводимости. Квантовый выход фотоэмиссии из аккумуляционного слоя достаточно высок и сравним с квантовым выходом для традиционного фотокатода Сэ/СаАя.

4. Для всех исследуемых образцов /г-1п01 Сао^N(0001), >;-А1,ш,Са,).я4М(0001) и л-СаМ(0001) за счет адсорбции Сб или Ва в диапазоне субмонослойных покрытий установлено формирование аккумуляционного слоя независимо от структурного совершенства образца. В процессе формирования

аккумуляционного слоя край зоны проводимости на поверхности меняет свою позицию от положения выше £> до положения ниже Ер.

5. Предложен способ целенаправленного изменения изгиба зон, энергетических параметров потенциальной ямы аккумуляционного слоя, плотности состояний 20ЕС и квантового выхода фотоэмиссии, заключающийся в изменении степени субмонослойного покрытия Се или Ва на поверхности й-1п0 |Сао.,М(0001), и-ваТ^ООО 1) и /7-А10.|6Оао.84^0001).

6. Для анализа спектров пороговой фотоэмиссии из аккумуляционного слоя модифицирована теория Урбаха для случая фотоэмиссии из локальной поверхностной зоны. Установлено положение первого уровня размерного квантования в аккумуляционном слое, и рассчитан матричный элемент возбуждения фотоэмиссии.

7. Обнаружена осцилляционная структура в спектрах пороговой фотоэмиссии для интерфейса СвДпо^Сао^ при возбуждении в области прозрачности. Природа эффекта обусловлена интерференцией Фабри-Перо в плоскопараллельной пластине 1пОаН и наличием аккумуляционного слоя.

8. Установлено кардинальное уменьшение ширины спектра фотоэмиссии из валентной зоны чистых //-СаМ(0001) и «-А1(ш,0ап.м]4(0001) от-10 эВ до -1.5 зВ при Ва покрытии 0.6 МС. Природа эффекта связана с подавлением собственных поверхностных состояний подложки.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих

публикациях:

[AI] Бенеманская, Г.В. Аккумуляционный зарядовый слой ультратонких интерфейсов Cs, Ba/w-GaN(0001): электронные и фотоэмиссионные свойства / Г.В. Бенеманская, М.Н.Лапушкин, С.Н. Тимошнев // ФТТ. - 2007. - Т. 49. - Вып. 4. - С. 613-617.

[А2] Бенеманская, Г.В. Эффект самоорганизации наноструктур на поверхности n-GaN(OOOl) при адсорбции Cs и Ва / Г.В. Бенеманская, B.C. Вихнин, С.Н. Тимошнев // Письма ЖЭТФ. - 2008. - Т. 87. - Вып. 2.-С. 119-123.

[A3] Бенеманская, Г.В. Аккумуляционный нанослой - 2D электронный канал ультратонких интерфейсов Cs/n-InGaN(0001) / Г.В. Бенеманская, В.Н. Жмерик, М.Н. Лапушкин, С.Н. Тимошнев II ФТТ. - 2009. - Т. 51. - Вып. 2. - С. 372-376.

[A4] Бенеманская, Г.В. Аккумуляционный нанослой и поверхностные состояния ультратонких интерфейсов Cs, Ba/«-GaN / Г.В. Бенеманская, С.Н. Тимошнев, Г.Э. Франк-Каменецкая // Известия РАН. Серия физическая. - 2009. - Т. 73. - № 5. -С. 710-712.

[А5] Benemanskaya, G.V. Surface states and accumulation nanolayer induced by Ba and Cs adsorption on the f?-GaN(0001) surface / G.V. Benemanskaya, M.N. Lapushkin, S.N. Timoshnev // Surf. Sei. - 2009. Vol. 603. - 1.16. - P. 2474-2478.

[A6] Бенеманская, Г.В. Электронная структура границы разлела Ba/n-AlGaN(0001) и формирование вырожденного 2D электронного газа / Г.В. Бенеманская, В.Н. Жмерик, М.Н. Лапушкин, С.Н. Тимошнев // Письма ЖЭТФ. -2010. - Т. 91. - Вып. 12. - С. 739743.

[А7] Вихнин, B.C. Модель формирования периодической сверхструктуры, индуцированной подвижными дефектами на поверхности полупроводника /

B.C. Вихнин, Г.В. Бснеманская, С.Н. Тимошнев // Известия РАН. Серия физическая. -2010.-Т. 74.-№9.-С. 1377-1381. [А8] Бенеманская, Г.В. 20-вырожденный электронный газ на границах раздела Ba/n-AlGaN и Ba/n-QaN / Г.В. Бенеманская, С.Н. Тимошнев, М.Н. Лаиушкин, Г.Э. Франк-Каменецкая // Известия РАН. Серия физическая. -2011. - Т. 75. - № 5. - С. 2-5. [А9] Benemanskaya, Q.V. Self-organizing chain-like nanostructures created by Cs and Ba adatoms on GaN(OOOl) n-type surface / G.V. Benemanskaya, G.E. Frank-Kamenetskaya, V.S. Vikhnin, S.N. Timoshnev // Proc. 14 Int. Symp. NANO-2006. - St.Petersburg, 2006. -P. 93-94.

[A 10] Бенеманская, Г.В. Электронные свойства и энергетические параметры 2D аккумуляционных слоев Cs, Ba/n-GaN(000!) интерфейсов / Г.В. Бенеманская, М.Н. Лапушкин, С.Н. Тимошнев // 5-ая Всероссийская конференция "Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы". Тезисы докладов. - Москва, 2007. - С. 153-154.

[AU] Benemanskaya, G.V. Creation of accumulation layer on л-GaN and n-InGaN surfaces / G.V. Benemanskaya, M.N. Lapushkin., S.N. Timoshnev // IVC17/ICSS13 and ICN+T2007.

- Sweden, Stockholm, 2007. - P. SS01-Or6.

[A 12] Бенеманская, Г.В. Аккумуляционный нанослой и поверхностные состояния ультратонких интерфейсов Cs, Ba/iî-GaN / Г.В. Бенеманская, С.Н. Тимошнев, Г.Э. Франк-Каменецкая // Международный симпозиум «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» Low Dimensional Systems (LDS). - Ростов-на Дону, 2008. - С. 59-61.

[А13] Бенеманская, Г.В. Аккумуляционный нанослой ультратонких интерфейсов Cs, Ba/«-InGaN / Г.В. Бенеманская, М.Н. Лапушкин, С.Н. Тимошнев, В.Н. Жмерик // 6-ая Всероссийская конференция "Нитриды галлия, индия и алюминия". Тезисы докладов.

- Санкт-Петербург, 2008. - С. 155-156.

[А14] Timoshnev, S.N. Accumulation nanolayer on the ultrathin Cs, Ba//;-GaN interfaces / S.N. Timoshnev, G.V. Benemanskaya, M.N. Lapushkin // 25 Intern. Conf. ECOSS-25. -Liverpool, 2008. - P. 718-719. [A15] Тимошнев, С.Н. Аккумуляционный нанослой ультратонких интерфейсов Cs, Ba/n-GaN / С.Н. Тимошнев, Г.В. Бснеманская // X Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. Тезисы докладов. - Санкт-Петербург, 2008. - С. 32. [А16] Тимошнев, С.Н. 2D электронный канал - аккумуляционный слой на поверхности »-GaN(OOOl) / С.Н. Тимошнев // Международная Зимняя Школа по физике полупроводников. Тезисы докладов. - Санкт-Петербург - Зеленогорск, 2009. - С. 2122.

[А 17] Бенеманская, Г.В. Создание аккумуляционных нанослоев на поверхности «-GaN(OOOl) и «-lnGaN(OOOl) / Г.В. Бенеманская, C.B. Иванов, М.Н. Лапушкин, С.Н. Тимошнев, Н.М. Шмидт // XIII Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника». Тезисы докладов. - Нижний Новгород, 2009. - С. 125-126. [А 18] Бенеманская, Г.В. Аккумуляционный нанослой на поверхности и-InGaN при адсорбции Cs / Г.В. Бенеманская, С.Н. Тимошнев, Г.Э. Франк-Каменецкая // 4-ая Всероссийская конференция «Химия поверхности и нанотехнология». - Хилово, 2009.

- С. 249-251.

[А 19] Бенеманская, Г.В. Фотоэмиссионная спектроскопия n-AlGaN и ультратонких интерфейсов Ba//;-AlGaN при синхротронном возбуждении / Г.В. Бенеманская, М.Н. Лапушкин, С.Н. Тимошнев, В.Н. Жмерик // 7-ая Всероссийская конференция "Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы". - Москва, 2010. - С. 193-194.

[А20] Бенеманская, Г.В. вырожденный 2D электронный газ на границах раздела Ba//?-AlGaN и Ba//?-GaN / Г.В. Бенеманская, С.Н. Тимошнев, М.Н. Лапушкин, Г.Э. Франк-Каменецкая // Международный симпозиум «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» Low Dimensional Systems (LDS-2). - Ростов-на-Дону, 2010. - С. 31-34.

Список цитированной литературы

[1] Olsson, L.Ö. Charge accumulation at InAs surfaces / L. Ö. Olsson, С. В. M. Andersson, M. C. Häkansson, J. Kanski, L. liver, U. O. Karlsson // Phys. Rev. Lett. - 1996. - Vol. 76. - I. 19.-P. 3626-3629.

[2] Mahboob, I. Origin of electron accumulation at wurtzite InN surfaces / I. Mahboob, T.D. Veal, L.F.J. Piper, C.F. McConville, H. Lu, W.J. Schaff, J. Furthmueller, F. Bechstedt // Phys. Rev. B. - 2004. - Vol. 69. - 1. 20. - P. 201307(4).

[3] Olsson, L.Ö. Anomalous quenching of photoemission from bulk states by deposition of Cs 011 InAs(lOO) / L.Ö. Olsson, L. liver, J. Kanski, P. O. Nilsson, B. J. Kowalski, M. C. Häkansson, U. О. Karlsson // Phys. Rev. B. - 1995. Vol. 52. - I. 3. - P. 1470-1473.

[4] Betti, M.G. Density of states of a two-dimensional electron gas at semiconductor surfaces / M.G. Betti, V. Corradini, G. Bertoni, P. Casarini, С. Mariani, A. Abramo // Phys. Rev. B. -2001.-Vol. 63.-I. 15. - P. 155315(10).

[5] Betti, M.G. Cesium-induced electronic states and space-charge-layer formation in Cs/lnSb(l 10) interface / M.G. Betti, R. Biagi, U. del Pennino, C. Mariani, M. Pedio // Phys. Rev. B. - 1996. - Vol. 53. - I. 20. - P. 13605-13612.

[6] Benemanskaya, G.V. Electron accumulation layer at the Cs-covered GaN(0001) «-type surface / G.V. Benemanskaya, V.S. Vikhnin, N.M. Shmidt, G.E. Frank-Kamenetskaya, I.V. Afanasiev // Appl. Phys. Lett. - 2004. - Vol. 85. -№ 8. - P. 1365-1367.

[7] Segev, D. Electronic structure of nitride surfaces / D. Segev, C.G. Van de Walle // J. Cryst. Growth. - 2007. - Vol. 300. - I. 1. - P. 199-203.

[8] Strasser, Т. Valence-band photoemission from the GaN(0001) surface / T. Strasser, С. Solterbeck, F. Starrost, W. Schattke // Phys. Rev. В. - 1999. - Vol. 60. - I. 16. - P. 1157711585.

[9] Bermudez, V.M. Study of oxygen chemisorption on the GaN(0001)-(lxl) surface / V.M. Bermudez // J. Appl. Phys. - 1996. - Vol. 80. -1. 2. - P. 1190.

Подписано в печать 31.08.2011. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 7941Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812)297-57-76

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Аккумуляционный слой на поверхности полупроводников

1.2. Атомная структура и электронные свойства гс-Са]Ч(0001), я-ІПхОа^ЩОООІ) и «-А1х0а,.хк(0001)

1.3. Теоретические и экспериментальные исследования электронной структуры ОаК

1.4. Адсорбция Сб на поверхности />Оа>Т(0001) и

N(0001)

1.5. Фотоэмиссионные методы исследования электронной структуры полупроводников

1.6. Выводы и постановка задачи

ГЛАВА II МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1. Пороговая фотоэмиссионная спектроскопия.

Экспериментальная установка

2.2. Пороговая фотоэмиссионная спектроскопия.

2.3. Методика фотоэмиссионных измерений.

2.4. Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия.

Экспериментальная установка и методика исследований

2.5. Характеризация образцов «-ОаМ(ОООІ), п- 1п0 і0а0.9^0001), я-АІолбЄао^ї'КОООІ)

2.6. Методика определения концентрации адсорбированных атомов.

ГЛАВА III ПОРОГОВАЯ ФОТОЭМИССИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА Сз/гс-ІПо.іОао^ОООІ), Сз/л-СаК(0001) И Ва/я-ОаЩОООІ)

3.1. Спектры пороговой фотоэмиссии границы раздела СБ/л-ІПолОао^СОООІ)

3.2. Спектры пороговой фотоэмиссии границы раздела Сз/и-ОаЫ(0001).

3.3. Спектры пороговой фотоэмиссии границы раздела Ва/л-ОаЫ(0001).

3.4. Формирование аккумуляционного слоя для границ раздела

С8/«-1по.,Сао ^(0001), Сз/т7-СаН(0001) и Ва//7-ОаК(0001).

3.5. Расчет матричных элементов фотоэмиссии из аккумуляционного слоя для границ раздела С8/и-1п0лСгао.9К(0001), Сз/и-0а]4(0001) и Ва/я-0а14(0001)

3.6. Поверхностные состояния границ раздела С8/и-Оа1Ч(0001) и

Ва//7-ОаМ(0001)

3.7. Осцилляционная структура в спектрах пороговой фотоэмиссии границ раздела Сз/л-1полСгао.9К(0001), Сз/?7-Оа]Ч(0001) и Ва/я-ОаМ(0001).

Значительный интерес к исследованию электронных и структурных свойств полупроводниковых соединений на основе нитридов III группы обусловлен их большой практической значимостью [1, 2]. В последнее время нитриды III группы, а именно GaN, AIN, InN и их тройные соединения AlxGaixN и InxGaixN, широко применяются для создания оптоэлектронных приборов, работающих в спектральном диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного [3-5], различных электронных полупроводниковых устройств, работающих при высоких температурах, напряжениях, частотах [6, 7].

В настоящее время при переходе от микро- к наноэлектронике важным направлением является создание AlGaN/GaN-гетеропереходных полевых транзисторов с затвором Шоттки (HFET) [8, 9]. Гетероструктуры

AlGaN/GaN, InGaN/GaN являются наиболее перспективным объектом для создания мощных высокочастотных транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ) [10-14]. Применение таких транзисторов может существенно улучшить параметры усилителей, модуляторов и других современных электронных устройств.

Благодаря большой значимости для современного развития нанотехнологий, исследование электронных и структурных свойств поверхности, интерфейсов и наноразмерных объектов является одним из актуальных направлений физики поверхности полупроводников. Применение нано- и гетероструктур на основе нитридов III группы для современных оптических и электронных устройств резко увеличивает роль поверхности и ее влияние на характеристики приборов. Повышенные требования к знанию электронных свойств поверхности, интерфейсов и нанообъектов определяет актуальность данных исследований.

Создание и исследование новых наноразмерных структур является важным как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. Наноразмерные объекты можно определить как системы, в которых, по крайней мере, одно измерение не превышает 100 нм. В настоящее время зарядовый аккумуляционный слой на свободной поверхности полупроводника является новым и актуальным объектом исследований. Аккумуляционный слой может сформироваться непосредственно вблизи поверхности полупроводника я-типа, когда приповерхностный изгиб1 зон соответствует обогащению, т.е. изгиб зон вниз/ При этом минимум зоны проводимости на поверхности Есвм располагается ниже уровня Ферми Ер, и образуется узкая потенциальная яма. При достаточно малой ширине приповерхностного потенциала происходит ограничение движения электронов в направлении нормали г к поверхности, т.е. наблюдается эффект размерного квантования в аккумуляционном слое, и электроны могут занимать несколько локальных квантовых уровней. Вдоль поверхности движение электронов не ограничено, и соответствующие компоненты энергии не квантуются. Такие электронные состояния являются вырожденным двумерным электронным газом (2БЕО).

Аккумуляционный слой был недавно обнаружен для чистых поверхностей и-1пАз(110), и-1пЫ и для ультратонких интерфейсов Сз/и-1пА8(110), Сз/и-1п8Ь(110). Следует отметить, что все эти материалы — узкозонные 1п-содержащие полупроводники.

В ФТИ им.' А.Ф. Иоффе РАН в нашей группе была начата работа по поиску способов формирования аккумуляционного слоя на поверхности широкозонного полупроводника и-Са1Ч(0001). Было обнаружено, что аккумуляционный слой может быть сформирован на границе раздела Сэ/и-СаМ. Таким образом, в настоящее время существует достаточно мало полупроводниковых материалов, на поверхности которых удалось наблюдать или искусственно создать аккумуляционный слой. Поэтому создание индуцированных аккумуляционных слоев на поверхности широкозонных полупроводников Ш-нитридов в ряду 1пОа!Ч, Са1Ч, АЮа1чГ с изменяющейся шириной запрещенной зоны является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы. Целью работы является установление электронной структуры, определение процессов и закономерностей формирования границ раздела Сз//7-Оа]М(0001), Ва/и-Оа1М(0001),

С8/я-1полОао.9К(0001) и Ва/и-А10лбСа0.84^0001) в диапазоне субмонослойных Сб и Ва покрытий, определение условий для целенаправленной модификации электронных свойств границ раздела и увеличения квантового выхода фотоэмиссии, поиск способов создания аккумуляционного слоя, определение механизмов формирования потенциальной ямы аккумуляционного слоя, а также определение условий для управления энергетическими параметрами аккумуляционного слоя. '

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Провести исследования по поиску собственных поверхностных состояний атомарно-чистых поверхностей я-Оа]\Г(0001) и индуцированных адсорбцией поверхностных зон.

2. Исследовать и определить влияние субмонослойных покрытий Сэ или Ва на электронную структуру границ раздела Сз/«-1п0ЛОа0 91М(0001), СБ/л-ОаЫ(0001), Ва/я-СаМ(0001) в условиях сверхвысокого вакуума о

Р -10' Па с использованием метода пороговой фотоэмиссионной спектроскопии при возбуждении 5- и р-поляризованным светом (в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН).

3. Исследовать и определить влияние субмонослойных покрытий Ва на электронную структуру границ раздела Ва/«-СаМ(0001) и Ва/л-А10лбСа0 84^0001) в условиях сверхвысокого вакуума Р ~10‘8 Па с использованием метода УФЭС.

4. Определить условия для целенаправленной модификации электронных свойств границ раздела и увеличения квантового выхода фотоэмиссии.

5. Установить способы создания аккумуляционного слоя, определить механизмы формирования потенциальной ямы аккумуляционного слоя для исследуемых границ раздела в диапазоне субмонослойных покрытий.

6. Определить условия для целенаправленного изменения изгиба зон, энергетических параметров аккумуляционного слоя и плотности состояний 2DEG.

7. Провести модификацию теории пороговой фотоэмиссии Урбаха для определения параметров аккумуляционного слоя.

Объекты и методы исследования. В настоящей работе впервые проведены исследования электронных свойств границ раздела Cs/w-In0 iGa0.9N(0001), Cs, Ba/«-GaN(0001) и Ba/w-Al0.i6Gao.84N(0001). Для разных систем использованы разные фотоэмиссионные методы: пороговая фотоэмиссионная спектроскопия при возбуждении поляризованным светом и ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия на синхротроне BESSY II, Германия. Граница раздела Ba/«-GaN(0001) исследована двумя методами.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 148 страницах, включая 65 рисунков. В списке цитированной литературы 87 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено положение собственных поверхностных состояний ft-GaN(OOOl), расположенных при энергиях связи 2.9 эВ, 5.0 эВ и 6.9 эВ относительно края валентной зоны Еувм

2. Обнаружены поверхностные зоны, индуцированные адсорбцией Cs и В а, на w-GaN(OOOl). Положение Cs-зон относительно Ер соответствует 0.35 эВ и 0.50 эВ. Положение Ва-зон,относительно Ер соответствует Oil эВ и 0.3 эВ.

3. Впервые наблюдалась «нетрадиционная» пороговая фотоэмиссия для границы раздела Cs/«-In0 iGao9N(0001) при возбуждении ^-поляризованным светом в области прозрачности InGaN. Установлено, что природа фотоэмиссии* связана с возбуждением электронов из 2DEG в аккумуляционном слое в зоне проводимости. Квантовый выход фотоэмиссии из аккумуляционного слоя достаточно высок и сравним с квантовым выходом для традиционного фотокатода Cs/GaAs.

4. Для всех исследуемых образцов п-1щ iGao9N(0001), п-А10 i6Ga0s4N(0001) и /?-GaN(0001) за счет адсорбции Cs или Ва в диапазоне субмонослойных покрытий установлено формирование аккумуляционного слоя независимо от структурного совершенства^ образца. В процессе формирования аккумуляционного слоя край зоны проводимости на поверхности меняет свою позицию от положения выше Ер до положения ниже Ер. .

5. Предложен способ целенаправленного изменения изгиба зон, энергетических параметров потенциальной ямы аккумуляционного слоя, плотности состояний 2DEG и квантового выхода фотоэмиссии, заключающийся в изменении степени субмонослойного покрытия Cs или Ва на поверхности /?-1по iGa0 9>Т(0001), ^-GaN(OOOl) и п-Alo leGao g4N(0001).

6. Для анализа спектров пороговой фотоэмиссии из аккумуляционного слоя модифицирована теория Урбаха для случая фотоэмиссии из лркальной поверхностной зоны. Установлено положение первого уровня размерного квантования в аккумуляционном слое, и рассчитан матричный элемент возбуждения фотоэмиссии.

7. Обнаружена осцилляционная структура в спектрах пороговой фотоэмиссии для интерфейса СвЛполСао^ при возбуждении в области прозрачности. Природа эффекта обусловлена интерференцией Фабри-Перо в плоскопараллельной пластине кЮаИ и наличием аккумуляционного слоя.

8. Установлено кардинальное уменьшение ширины спектра фотоэмиссии из валентной зоны чистых я-ОаЫ(0001) и «-А10лбОао.84^0001) от ~10 эВ до -1.5 эВ при Ва покрытии 0.6 МС. Природа эффекта связана с подавлением собственных поверхностных состояний подложки.

В заключении автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю доктору физ.-мат. наук Г алине Вадимовне Бенеманской.

Автор благодарит кандидата физ.-мат. наук Михаила Николаевича Лапушкина за плодотворное сотрудничество и помощь в работе.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА

А1] Бенеманская, Г.В. Аккумуляционный зарядовый слой ультратонких интерфейсов Cs, Ba/w-GaN(0001): электронные и фотоэмиссионные свойства / Г.В. Бенеманская, М.Н. Лапушкин, С.Н. Тимошнев // ФТТ. — 2007. - Т. 49. - Вып. 4. - С. 613-617.

А2] Бенеманская, Г.В. Эффект самоорганизации наноструктур на поверхности w-GaN(OOOl) при адсорбции Cs и Ва / Г.В. Бенеманская, B.C. Вихнин, С.Н. Тимошнев // Письма^ЖЭТФ. - 2008. - Т. 87. — Вып. 2. — С. 119123.

АЗ] Бенеманская, Г.В. Аккумуляционный нанослой - 2D электронный канал ультратонких интерфейсов CsA?-InGaN(0001) / Г.В. Бенеманская,

B.Н. Жмерик, М.Н. Лапушкин, С.Н. Тимошнев // ФТТ. - 2009. - Т. 51. — Вып. 2.-С. 372-376.

А4] Бенеманская, Г.В. Аккумуляционный нанослой и поверхностные состояния ультратонких интерфейсов Cs, Ba/w-GaN / Г.В. Бенеманская,

C.Н. Тимошнев, Г.Э. Франк-Каменецкая // Известия РАН. Серия физическая. - 2009. - Т. 73. - № 5. - С. 710-712.

А5] Benemanskaya, G.V. Surface states and accumulation nanolayer induced by Ba and Cs adsorption on the «-GaN(0001) surface / G.V. Benemanskaya, M.N. Lapushkin, S.N. Timoshnev // Surf. Sci. — 2009. Vol. 603. —1.16. - P. 2474-2478.

A6] Бенеманская, Г.В. Электронная структура границы раздела Ba/w-AlGaN(0001) и формирование вырожденного 2D электронного газа / Г.В. Бенеманская, В.Н. Жмерик, М.Н. Лапушкин, С.Н. Тимошнев // Письма ЖЭТФ. - 2010. - Т. 91. - Вып. 12. - С. 739-743.

А7] Вихнин, B.C. Модель формирования периодической сверхструктуры, индуцированной подвижными дефектами на поверхности полупроводника / B.C. Вихнин, Г.В. Бенеманская, С.Н. Тимошнев //

Известия РАН. Серия физическая. -2010. - Т. 74. -№ 9. - С. 1377-1381.

А8] Бенеманская, Г.В. 20-вырожденный электронный газ на границах

1 раздела Ba/rc-AlGaN и Ba/w-GaN / Г.В. Бенеманская, С.Н. Тимошнев,

М.Н. Лапушкин, Г.Э. Франк-Каменецкая // Известия РАН. Серия

1 физическая. -2011. - Т. 75. - № 5. - С. 2-5.

А9] Benemanskaya, G.V. Self-organizing chain-like nanostructures created by Cs and Ba adatoms on GaN(OOOl) «-type surface / G.V. Benemanskaya,

G.E. Frank-Kamenetskaya, V.S. Vikhnin, S.N. Timoshnev // Proc. 14 Int. Symp. NANO-2006. - St.Petersburg, 2006. - P. 93-94.

A10] Бенеманская, Г.В. Электронные свойства и энергетические параметры 2D аккумуляционных слоев Cs, Ba//z-GaN(0001) интерфейсов / s Г.В. Бенеманская, М.Н. Лапушкин, С.Н. Тимошнев // 5-ая

Всероссийская конференция “Нитриды галлия, индия и алюминия структуры и приборы”. Тезисы докладов. - Москва, 2007. - С. 153-154.

А11] Benemanskaya, G.V. Creation of accumulation layer on n-GaN and rc-InGaN surfaces / G.V. Benemanskaya, M.N. Lapushkin., S.N. Timoshnev // IVC17/ICSS13 and ICN+T2007. - Sweden, Stockholm, 2007. - P. SS01-' Or6.

1 [A 12] Бенеманская, Г.В.’ Аккумуляционный нанослой и поверхностные состояния ультратонких интерфейсов Cs, Ba/w-GaN / Г.В. Бенеманская,

С.Н. Тимошнев, Г.Э. Франк-Каменецкая // Международный симпозиум «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» Low Dimensional Systems (LDS). - Ростов-на Дону, 2008. — С. 59-61.

А13] Бенеманская, Г.В. Аккумуляционный нанослой ультратонких интерфейсов Cs, Ba/7?-InGaN / Г.В. Бенеманская, М.Н. Лапушкин,

С.Н. Тимошнев, В.Н. Жмерик // 6-ая Всероссийская конференция “Нитриды галлия, индия и алюминия“. Тезисы докладов. - Санкт-Петербург, 2008. - С. 155-156.

А14] Timoshnev, S.N. Accumulation nanolayer on the ultrathin Cs, Ba/n-GaN interfaces / S.N. Timoshnev, G.V. Benemanskaya, M.N. Lapushkin // 25 Intern. Conf. ECOSS-25. - Liverpool, 2008. - P. 718-719.

A15] Тимошнев, C.H. Аккумуляционный нанослой ультратонких интерфейсов Cs, Ba/w-GaN / C.H. Тимошнев, Г.В. Бенеманская // X Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. Тезисы докладов. - Санкт-Петербург, 2008. - С. 32.

А16] Тимошнев, C.H. 2D электронный канал - аккумуляционный слой на поверхности

-GaN(OOOl) / C.H. Тимошнев // Международная Зимняя Школа по физике полупроводников. Тезисы докладов. — Санкт-Петербург -Зеленогорск, 2009. - С. 21-22.

А 17] Бенеманская, Г.В. Создание аккумуляционных нанослоев на поверхности tt-GaN(OOOl) и w-InGaN(0001) / Г.В. Бенеманская, С.В. Иванов, М.Н. Лапушкин, С.Н. Тимошнев, Н.М. Шмидт // XIII Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника». Тезисы докладов. -Нижний Новгород, 2009. - С. 125-126.

А 18] Бенеманская, Г.В. Аккумуляционный нанослой на поверхности я-InGaN при адсорбции Cs / Г.В. Бенеманская, С.Н. Тимошнев, Г.Э. Франк-Каменецкая // 4-ая Всероссийская конференция «Химия поверхности и нанотехнология». - Хилово, 2009. - С. 249-251.

А19] Бенеманская, Г.В. Фотоэмиссионная спектроскопия и-AlGaN и ультратонких интерфейсов Ba/rc-AlGaN при синхротронном возбуждении / Г.В. Бенеманская, М.Н. Лапушкин, С.Н. Тимошнев, В.Н. Жмерик // 7-ая Всероссийская конференция “Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы”. - Москва, 2010. - С. 193

А20] Бенеманская, Г.В. вырожденный 2D электронный газ на границах раздела Ba/rc-AlGaN и Ba/rc-GaN / Г.В. Бенеманская, С.Н. Тимошнев, М.Н. Лапушкин, Г.Э. Франк-Каменецкая // Международный симпозиум «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» Low Dimensional Systems (LDS-2). - Ростов-на-Дону, 2010. - С. 31-34.

4.3. Заключение

1. Установлено, что ширина спектра фотоэмиссии из валентной зоны исходных образцов 77-Оа1\Г(0001) и /?-АЮа1Ч(0001) соответствует ~ 10 эВ. Достаточно большая ширина спектра фотоэмиссии из валентной зоны связана с наличием в этой области собственных поверхностных состояний.

2. Впервые методом УФЭС для /?-Са>Т(0001) обнаружено появление нового фотоэмиссионного пика в запрещенной зоне вблизи уровня Ферми, природа которого связана с созданием вырожденного двумерного электронного газа 20ЕС в аккумуляционном слое, индуцированном адсорбцией Ва.

3. Впервые для «-АЮаМ(0001') обнаружено появление нового

- фотоэмиссионного пика в запрещенной зоне вблизи уровня Ферми, природа которого связана с созданием аккумуляционного слоя, индуцированного адсорбцией Ва.

4. Определено, что увеличение Ва покрытия до 0.6 МС приводит к резкому изменению положения края* валентной зоны Еувм относительно уровня Ферми от 2.9 эВ для чистой поверхности

• /7-ОаЫ(0001) до 4.0 эВ, что свидетельствует об изгибе зон вниз и доказывает образование аккумуляционного слоя.

5. Определено, что увеличение Ва покрытия до 0.6 МС приводит к резкому изменению положения края валентной зоны Еувм относительно уровня Ферми от 3.2 эВ для чистой поверхности я-АЮаТ\Г(0001) до 4.1 эВ, что свидетельствует об изгибе зон вниз и доказывает образование аккумуляционного слоя.

6. Обнаружен новый эффект кардинального уменьшения ширины спектра фотоэмиссии из валентной зоны я-0а]4(0001) и я-АЮаН(0001) от ~ 10 эВ до ~ 1.5 эВ при Ва покрытии 0.6 МС. Природа эффекта связана с подавлением собственных поверхностных состояний ваМ или АЮаМ

7. Установлено, что адсорбция Ва на поверхности и-Са]М(0001) позволяет определить положения собственных поверхностных состояний, которые соответствуют энергиям связи 2.9 эВ, 5.0 эВ и

6.9 эВ относительно края валентной зоны Еувм

8. Установлено, что адсорбция Ва на поверхности я-АЮаМ(0001) позволяет определить положения собственных поверхностных состояний, которые соответствуют энергиям связи 4.0 эВ, 5.7 эВ и 8.3 эВ относительно края валентной зоны Еувм

9. Модификация спектра фотоэмиссии остовного уровня Ва 4 с! показывает появление дополнительных пиков у спин-расщепленных компонент, что свидетельствует о возникновении Ва-Ва взаимодействия в первом адсорбированном слое. Данный результат является дополнительным критерием оценки покрытия В а.

10. Обнаружено, что при покрытии Ва 0.3 МС на поверхности гс-0а!\г(0001) интенсивность пика Оа 3<3 уменьшается в ~5 раз. При покрытии 0.2 МС на и-АЮаЫ(0001) интенсивность спадает в -2 раза, а при 0.3 МС интенсивность остовного уровня ва Ъс1 спадает в -15 раз.

1. Gallium Nitride & Related Wide Bandgap Materials & Devices: a Market and Technology Overview 1998-2003 / Ed. by R. Szweda. UK: Elservier 2nd ed. -2000.

2. Nitride semiconductors. Handbook on Materials and. Devices / Ed. by P. , Ruterana, M. Albrecht, J. Neugebauer. Wiley-VCH Verlag GmbH &Co. KGaA Weinkeim 2003.

3. Nguyen, C. High performance GaN/AlGaN MODFETs grown by RF-assisted MBE / C. Nguyen, N.X. Nguyen, M. Le, D.E. Grider. // Electron. Lett. -1998. Vol. 34. -I. 3. -P. 309-310.

4. Foutz, В. E. Comparison of high field electron transport in GaN and GaAs /

5. B.E. Foutz, L.F. Eastman, U.V. Bhapkar, M.S. Shur // Appl. Phys. Lett. 1997. -Vol. 70. - I. 21.-P. 2849-2851.

6. Asif Khan, M. Hall measurements and contact resistance in doped GaN/AlGaN heterostructures / M. Asif Khan, M.S. Shur, Q. Chen // Appl. Phys. Lett. 1996. - Vol. 68. -1. 21. - P. 3022-3024.

7. Chen, Q. High transconductance heterostructure field effect transistors based on AlGaN/GaN I Q. Chen, M. Asif Khan, J.W. Yang, C.J. Sun, M.S. Shur,

8. H. Park // Appl. Phys. Lett. 1996. - Vol. 69. - I. 6. - P. 794-796.

9. Ambacher, O. Growth and applications of Group III-nitrides / O. Ambacher//J. Phys. D: Appl. Phys. 1998. - Vol. 31. - I. 20. P. 2653-2710.

10. Wu, Y.F. Bias dependent microwave performance of AlGaN/GaN MODFET's up to 100 V / Y.F. Wu, S. Keller, P. Kozodoy, B.P. Keller, P. Parikh,

11. D. Kapolinek, S. P. DenBaars, U.K. Mishira // IEEE Electron. Device Lett. 1997. -Vol. 18.-I. 6.-P. 290-292.

12. Dimitrov, R. Carrier Confinement in AlGaN/GaN Heterostructures Grown by Plasma Induced Molecular Beam Epitaxy / R. Dimitrov, L. Wittmer, H.P. Felsl,

13. A. Mitchell, O. Ambacher, M. Stutzmann// Phys. Stat. Sol.(a). — 1998. Vol. 168. -1.2. -P.R7-R8.

14. Tsui, D.C. Observation of surface bound state and two-dimensional energy band by electron tunneling / D.C. Tsui // Phys. Rev. Lett. — 1970. — Vol. 24. -I. 7.-P. 303-306.

15. Betti, M.G. Density of states of a two-dimensional electron gas at semiconductor surfaces / M.G. Betti, V. Corradini, G. Bertoni, P. Casarini, C. Mariani, A. Abramo//Phys. Rev. B. -2001. Vol. 63. -I. 15. -P. 155315(10).

16. Olsson, L.O. Charge Accumulation at InAs Surfaces / L.O. Olsson,

17. C.B.M. Andersson, M.C. Hakansson, J. Kanski, L. liver, U. O. Karlsson // Phys. Rev. Lett. 1996. - Vol. 76. -1. 19. -P. 3626-3629.

18. Bell, G.R. Accumulation layer profiles at InAs polar surfaces / G.R. Bell,

19. T.S. Jones, C.F. McConville //Appl. Phys. Lett. — 1997. Vol. 71. - I. 25. — Pi 3688-3690. ,

20. Olsson, L.O. Anomalous quenching of photoemission from bulk states; by deposition of Cs on InAs(lOO) / L.O. Olsson, L. liver, J. Kanski;, P.O. Nilsson, B.Ji Kowalski, M.C. Hakansson, U.O. Karlsson // Phys. Rev. B. — 1995. Vol. 52. - I.3. -P. 1470-1473.

21. Aristov, V.Yu. Cesium-induced quantized 2D electron channel on thelnAs(llO) surface / V.Yu. Aristov, G. Le Lay, M. Grehk, V.M. Zhilin, A. Taleb-Ibrahimi, G. Indlekofer, P: Soukiassian // Surf Rev. Lett. — 1995. Vol. 2. - I. 6. -P. 723-729. ■ . ■ •

22. Betti, M.G. Cesium-induced electronic states and space-charge-layer formation in Cs/InSb(110) interface / M.G. Betti, R. Biagi, U. del Pennino, C. Mariani, M. Pedio//Phys. Rev. B. 1996. -Vol. 53.-I. 20.-P. 13605-13612.

23. King, P.D.C. Nonparabolic coupled Poisson-Schrodinger solutions forquantized electron accumulation layers: Band bending, charge profile, and subbands at InN surfaces / P.D.C. King, T.D. Veal, C.F. McConville // Phys. Rev.

24. Benemanskaya, G.V. Electron accumulation layer at the Cs-covered GaN(0001) «-type surface / G.V. Benemanskaya, V.S. Vikhnin, N.M. Shmidt, G.E. Frank-Kamenetskaya, I.V. Afanasiev // Appl. Phys. Lett. -2004. Vol. 85. -I. 8.-P. 1365-1367.

25. Бахтизин, Р.З. Сканирующая туннельная микроскопия гетероэпитаксиального роста пленок Ill-нитридов / Р.З. Бахтизин, Ч.-Ж. Щуе,

26. Ч.-К. Щуе, К.-Х. By, Т. Сакурай // УФН. 2004. - Т. 174. - №. 4. - С. 383-405.

27. Degave, F. Defects and nucleation of GaN layers on (0001) sapphire / F. Degave, P. Ruterana, G. Nouet, J.H. Je, C.C. Kim // J. Phys.: Cond. Matt. -2002. -Vol. 14. -1. 48. P. 13019-13024.

28. Ambacher, O. Growth and applications of Group III-nitrides / O. Ambacher // J. Phys. D: Appl. Phys. 1998. - Vol. 31. - I. 20. - P. 2653-2710.

29. Gian, W. Structural Defects and Their Relationship to Nucleation of Gan Thin Film / W. Gian, M. Skowronski, G.S. Rohrer // MRS Symposium Proceedings. 1996. - Vol. 423. - P. 475-486.

30. Bougrov V., Levinshtein MtE., Rumyantsev S.L., Zubrilov A., in Properties of Advanced SemiconductorMaterials GaN, AIN, InN, BN, SiC, SiGe . Eds. Levinshtein M.E., Rumyantsev S.L., Shur M.S., John Wiley & Sons, Inc., New York, 2001.-P. 1-30.

31. Chow, T.P. SiC power devices / T.P. Chow, M. Ghezzo // MRS Symposium Proceedings. 1996. — Vol. 423. - P. 69-73.

32. Kampen, T.U. Electronic Properties of Cesium-covered GaN(0001)

33. Surfaces / T.U. Kampen, M. Eyckeler, W. Monch // Appl. Surf. Sci. — 1998. — Vol. 123-124.-P. 28-32. ’

34. Razeghi, M. Semiconductor ultraviolet detectors / M. Razeghi, A. Rogalski // J. Appl. Phys. 1996. - Vol. 79. -1. 10. - P. 7433-7473.

35. Suzuki, M. First-principles calculations of effective-mass parameters of AIN and GaN / M. Suzuki, T. Uenoyama, A. Yanase // Phys. Rev. B. — 1995. -Vol. 52. I. 11. - P. 8132-8139.

36. III-V Nitride Semiconductors: Applications and Devices in Optoelectronic Properties of Semiconductors and Superlattices Series, Ed. by E.T. Yu and M.O. Manasreh, CRC Press, 2002. Vol. 16.

37. Lambrecht, W.R.L. A Comparison of the Wurtzite and Zincblende Band Structures for SiC, AIN and GaN / W.R.L. Lambrecht, B.Segall // MRS Symposium Proceedings. 1992. - Vol. 242. - P. 367.

38. Vogel, D. Structural and electronic properties of group-III nitrides / D. Vogel, P. Kruger, J. Pollmann // Phys. Rev. B. 1997. — Vol. 55. — I. 19. - P. 12836:12839.

39. Strasser, T. Valence-band photoeinission from GaN(OOl) and GaAs: GaN surfaces / T. Strasser, F. Starrost, C. Solterbeck, W. Schattke // Phys. Rev. B1997. Vol. 56. -1. 20. - P. 13326-13334.1. W>

40. Strasser, T. Valence-band photoemission from the GaN(0001) surface / T. Strasser, C. Solterbeck, F. Starrost, W. Schattke // Phys. Rev. B. 1999. - Vol. 60. -I. 16.-P. 11577-11585.

41. Chao, Y.-C. Observation of highly dispersive surface states on GaN(0001)lxl / Y.-C. Chao, C.B. Stagarescu, J.E. Downes, P. Ryan, K.E. Smith,

42. D. Hanser, M.D. Bremser, R.F. Davis // Phys. Rev. B. 1999. — Vol. 59. -1. 24. — P. R15586- R15589.

43. Dhesi, S.S. Surface and bulk electronic structure of thin-film wurtzite GaN / S.S. Dhesi, C.B. Stagarescu, K.E. Smith, D. Doppalapudi, R. Singh, T.D. Moustakas //Phys. Rev. B. 1997. - Vol. 56. -1. 16. - P. 10271-10275.

44. Kowalski, B.J. Photoemission studies on GaN(OOO-l) surfaces / B.J. Kowalski, L. Plucinski, K. Kopalko, R.J. Iwanowski, B.A. Orlovski, R.L. Johnson,

45. Grzegory, S. Porowski // Surf. Sci. -2001. Vol. 482-485. - P. 740-745.

46. Kowalski, B.J. Surface states on GaN(000-l)-(lxl)-an angle-resolved photoemission study / B.J. Kowalski, R.J. Iwanowski, J. Sadowski, J. Kanski, I. Grzegory, S. Porowski // Surf. Sci. -2002. Vol. 507—510. — P. 186-191.

47. Kowalski, B.J. Electronic structure of GaN(000-l)-(lxl) surface / B.J. Kowalski, R.J. Iwanowski, J: Sadowski, I.A. Kowalik, J. Kanski, I. Grzegory, S. Porowski // Surf. Sci. 2004. - Vol. 548. -1. 1-3. - P. 220-230.

48. Ryan, P: Surface electronic structure of p-type GaN(OOO-l) / P. Ryan, Y.

49. C. Chao, J. Downes, C. McGuinness, K.E. Smith, A.V. Sampath, T.D. Moustakas // Surf. Sci. 2000. - Vol. 467. -1. 1-3. - P. L827-L833.

50. Segev, D. Electronic structure of nitride surfaces / D. Segev, C.G. Van de Walle // J. Cryst. Growth. 2007. - Vol. 300. -1. 1. - P. 199-203.

51. Van de Walle, C.G. Microscopic origins of surface states on nitride surfaces / C.G. Van de Walle, D. Segev // J. Appl. Phys. 2007. - Vol. 101. -1. 8. -P. 081704(6).

52. M. Kocan, A. Rizzi, H. Liith, S. Keller, U.K. Mishra. Surface Potential at as-Grown GaN(0001) MBE Layers Phys. Status Solidi (b) 234 (2002) 773.

53. Machuca, F. Prospect for high brightness III-nitride electron emitter / F. Machuca, Y. Sun, Z. Liu, K. Ioakeimidi, P. Pianetta, R.F.W. Pease // J. Vac. Sci. Technol.B.-2000.-Vol. 18.-I. 6.-P. 3042-3046.

54. Machuca, F. Role of oxygen in semiconductor negative electron affinity photocathodes /F. Machuca, Y. Sun, Z. Liu, P. Pianetta, W.E. Spicer, R.F.W.

55. Pease // . Vac. Sci. Technol. B. 2002. - Vol. 20. -1. 6. - P. 2721-2725.

56. Wu, C.I. Electronic states and effective negative electron affinity at the cesiated/?-GaN surface / C.I. Wu, A. Kahn // J. Appl. Phys. 1999. - Vol. 86. - I.6.-P. 3209-3212.

57. Wu, C.I. Negative electron affinity and electron emission at cesiated GaN and AIN surfaces / C.I. Wu, A. Kahn // Appl. Surf. Sci. 2000. - Vol. 162-163. -P. 250-255.

58. Eyckeler, M. Negative electron affinity of cesiated p-GaN(OOOl) surfaces. / M. Eyckeler, W. Monch, T.U. Kampen, R. Dimitrov, O. Ambacher, M. Stutzmann // J. Vac. Sci. Technol. B. 1998. - Vol. 16. - I. 6. - P. 2224-2228.

59. Wu, C.I. GaN (0001)-(lxl) surfaces: Composition and electronic properties / C.I. Wu, A. Kahn, N. Taskar, D. Dorman, D. Gallagher // J. Appl. Phys. 1998. - Vol. 83. -1. 8. - P. 4249-4252.

60. Grabowski, S.P. Electron affinity of AlxGa!xN(0001) surfaces / S.P. Grabowski, M. Schneider, H. Nienhaus, W. Monch, R. Dimitrov, O. Ambacher, M. Stutzmann // Appl. Phys. Lett. 2001. - Vol. 78. -1. 17. - P. 2503-2505.

61. Спайсер В. Применение синхротронного излучения в УФЭС. В кн. Электронная и ионная спектроскопия твердых тел / под ред. JI. Фирманса., Дж. Венника, В. Дейксера. - М.: Мир, 1981. - С. 61-97.

62. Бродский, А.М. Электродинамика границы металл/электролит / А.М. Бродский, М.И. Урбах М.: Наука, 19891 - С. 296.

63. Adawi, I. Theory of the photoelectric effect for the one and two photons /

64. Adawi // Phys. Rev. 1964. - Vol. 134. -1. ЗА. - P. A788-A798.

65. Feuerbaucher, B. Photoemission and electron states at clean surface / B.

66. Feuerbaucher, R.F. Willis // J. Phys. C: Sol. Stat. Phys. — 1976. Vol. 9. - N. 2. -P. 169-216. •

67. Monch, W. Semiconductors surfaces and interfaces / Ed. Ertl G., Gomer R., Mills D.L. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1993. - Series in Surface Sciences Vol. 26. - P. 366.

68. Бенеманская, Г.В. Возможности пороговой фотоэмиссии для изучения поверхностных состояний субмонослойных металлических пленок /

69. Г.В. Бенеманская, М.Н. Лапушкин, М.И. Урбах // ЖЭТФ. 1992. — Т. 102. -Вып. 5. - С. 1664.

70. Liebsch, A. Near-threshold enhancement in photoemission from alkali metal overlayers / A. Liebsch, G.V. Benemanskaya, M.N. Lapushkin // Surf. Sci. — 1994. Vol. 302. -1. 3. -P. 303-313.

71. Лапушкин М.Н. Поверхностные электронные состояния в системах Cs-W и Ba-W при субмонослойных покрытиях: дис. . канд. физ.-мат. наук / М.Н. Лапушкин. Санкт-Петербург, 1995.

72. Fedorus, A.G. Cesium on tungsten (110) face: structure and work function / A.G. Fedorus, A.G. Naumovets // Surf. Sci. 1970. - Vol. 21. - I. 2. — P. 426439.

73. Fedorus, A.G. Adsorbed barium films on tungsten and molibdenium (011) face / A.G. Fedorus, A.G. Naumovets, Yu.S. Vedula // Phys. Stat. Sol. (a). 1972. -Vol. 13.-I. 2.-P. 445-456.

74. Pi, T.-W. Synchrotron-radiation photoemission study of Ba on W(110) / T.-W. Pi, I.-H. Hong, C.-P. Cheng // Phys. Rev. B. 1998. - Vol. 58. - I. 7. - P. 4149-4155.

75. Wertheim, G.K. Nature of the charge localized between alkali adatoms and,metal substrates / G.K. Wertheim, D.M. Riffe, P.H. Citrin // Phys. Rev. B. -1994. Vol. 49. -1. 7. - P. 4834-4841.

76. Афанасьев, И.В. Устройство для получения фотоэлектронной эмиссии в вакуум / И.В. Афанасьев, Г.В. Бенеманская, Г.Э. Франк-Каменецкая, B.C. Вихнин, Н.М. Шмидт // Патент РФ на изобретение № 2249877, 2005.

77. Brodskii, A.M. On the polarization dependence of photoemission from metals / A.M. Brodskii, L.I. Daikhin, M.I. Urbakh // Phys. Stat. Sol. (b). — 1981. — Vol. 108.-I. 2.-P. 653-662.

78. Benemanskaya, G.V. Electronic structure of the ultrathin Cs/Si(100)-(2xl) and Cs/Si(lll)-(7x7) interfaces in the threshold energy region / G.V. Benemanskaya, D.V. Daineka, G.E. Frank-Kamenetskaya // Surf. Rev. Lett. —1998.-Vol. 5.-I. 1.-P. 91-95.

79. D.D. Manclion, A. S. Barker; J.P. Dean, R.B. Zetterstrom. Optical studies of the phonons and electrons in gallium nitride // Sol Stat Comm 8 (1970)' 1227.

80. Benemanskaya^ G.V. Electronic surface states of submonolayer, Cs;andsBa;films ош (100); (Й0); (1'11)S.W / G;V. Benemanskaya; ©;P: Burmistrova;, M:N.

81. Eapushkin//Phys. Lett; A.-1989b Voh 137.-113: -PM39-143;. .

82. Bermudez; V.M. Study of oxygen* chemisorption on the

83. GaN(0001) -(lxl) surface / V.M. Bermudez // J. Appl. Phys. 1996. - Vol. 80:1. 2:.-PM 190-1200; ;

84. Rizzi, A. Surface: and'; interfaces electronic properties: of AlGaN(OOOl ). ■ • ' ■ . • * ' ■ epitaxiaUlayers-/ A. Rizzi; Mi Kocan; J; Malihdretos, A. Schildknecht, N: Teofilov,

85. K. Thonke, R: Sauer // J: Appl; Phys. A. 2007. - Vol. 87. -1: 31-P: 505-509;

86. Kozawa; T. UV Photoemission Study of AlGaN Grown by Metalorganic

87. Vapor Phase Epitaxy / T. Kozawa, T. Mori, T. Ohwaki, Y. Taga; N. Sawaki // Jpn. J; Appl; Phys. -2000; Vol; 39; -P; E772-E774. . .

88. Kowalski;. BiJ: Photoemissiom studies on GaN(000-l) surfaces / BlX; Kowalski, L. Plucinski, K. Kopalko, R.J. Iwanowski, B.A. Orlovskiy RIB. Johnson; I: Grzegory, SI Porowski//Surf. Sci;.-2001.- Voli 482-485:-P; 740-745;

89. Жмерик, B.H: Квантово-размерные гетероструктуры на основе

90. Olcuda, Т. Structural analysis of Ba-indUced surface reconstruction on Si(Il l) by means of core-level photoemission / T. Okuda, K.-S. An, A. Harasava, T. Kinoshita // Phys. Rev. B. 2005. - Vok 71. -1. 8. - P. 085317(9).