Эмиссия поляризованных электронов из низкоразмерных полупроводниковых структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Санкт-Петербургский Государственный Технический Университет

На правах рукописи

Оскотский Борис Давидович

ЭМИССИЯ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОРэ1Х СТРУКТУР

01.04.07 - физика твердого тела

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Субашиев А.В.

Санкт-Петербург 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

1 Введение 4

1.1 Генерация поляризованных электронов..................6

1.2 Содержание диссертации....................................12

2 Диффузионная модель эмиссии 15

2.1 Спектральные характеристики фотоэмитеров..........15

2.1.1 Квантовый выход......................................17

2.1.2 Поляризация эмитированных электронов .... 19

2.2 Приближение тонкого слоя..................................21

2.3 Результаты ..........¿г ........................22

2.4 Край поглощения в напря^нн&^'Д'йоях высоколегированных полупроводников....................................29

2.5 Заключение......................................................34

3 Поляризованная люминесценция напряженных слоев фотокатодов 35

3.1 Введение........................................................35

3.2 Методика измерений и экспериментальные результаты 36

3.3 Спектральные зависимости поляризованной люминесценции и фотоэмисиии........................................47

3.4 Обсуждение результатов, параметры флуктуационно-

го потенциала..................................................55

3.5 Заключение....................................................61

4 Поверхностный потенциал эмиттеров с отрицательным электронным сродством 65

4.1 Введение........................................................65

4.2 Моделирование поверхности эмиттера методом Монте-Карло ............................................................70

4.3 Программа моделирования..................................74

4.4 Результаты моделирования ................................77

4.4.1 Динамика приповерхностного изгиба зон. Коэффициент прилипания..............................77

4.4.2 Плотность поверхностных состояний ............79

4.4.3 Технология процессов активировации поверхности ....................................................82

4.4.4 Моделирование поверхностного потенциала . . 85

4.4.5 Корреляционная функция............................90

4.4.6 Функция распределения поверхностного потенциала ....................................................92

4.4.7 Уровень протекания..................................96

4.4.8 Влияние спейсера....................................98

4.5 Кинетика фотоэмиссии......................................99

4.6 Заключение....................................................102

5 Влияние смешивания зон на дырочный транспорт вдоль оси полупроводниковой сверхрешетки 103

/

5.1 Введение........................................................103

5.2 Зонный спектр сверхрешетки ..............................106

5.2.1 Анализ зонного спектра..............................109

5.3 Подвижность тяжелых дырок..............................111

5.3.1 Невырожденный случай..............................111

5.3.2 Вырожденный случай................................112

5.4 Выводы..........................................................115

5.5 Обсуждение....................................................117

5.6 Заключение....................................................118

6 Заключение 119

1 Введение

В последнее десятилетие явление оптической ориентации электронных спинов (создание ориентированных по спину носителей при поглощении циркулярно поляризованного света) в полупроводниках стало основой для изготовления легко управляемых источников сильно поляризованных электронов.

Пучки поляризованных электронов, получаемые при оптической ориентации ОаАв, находят применение в самых различных областях современной физики: атомной и молекулярной физике, физике конденсированного состояния, ядерной физике и физике элементарных частиц.

Широта применения источников поляризованных электронов предъявляет особые требования к их качеству. Несмотря на то, что само явление оптической ориентации изучено достаточно подробно, однозначного понимания процессов, специфических для электронной эмиссии, на сегодня нет. Это относится, прежде всего, к свойствам приповерхностной области эмиттеров поляризованных электронов и процессам активации поверхности до состояния с отрицательным электронным сродством. Решение проблем, имеющихся в этой области, поможет разработать эффективные методы повышения характеристик производимых эмиттеров и контроля их качества. Этим определяется актуальность темы диссертационной работы.

В настоящей работе рассмотрены следующие задачи, актуальные для физики эмиттеров поляризованных электронов:

1. Теоретическое описание экспериментальных спектров квантового выхода и спектра поляризации электронной фотоэмиссии из полупроводниковых гетероструктур с напряженным полупроводниковым слоем: СаАв на СаАвР. Изучение влияния различных параметров фотокатодов на их спектры с целью оптимизации катодных структур;

2. Теоретическое исследование экспериментальных спектров

циркулярно поляризованной люминесценции из напряженных полупроводниковых слоёв. Сравнение параметров структур, восстановленных по спектрам люминесценции, с данными, полученными из спектров квантового выхода и спектра поляризации электронной фотоэмиссии. Рассмотрение возможности контроля качества фотоэмиттеров по спектрам циркулярно поляризованной люминесценции;

3. Изучение флуктуационного поверхностного потенциала эмиттера и расчет его основных характеристик. Оценка влияния поверхностного потенциала на эмиссию поляризованных электронов и их кинетику в области объемного заряда;

4. Расчет дырочной подвижности в полупроводниковых сверхрешетках первого рода. Изучение влияния на подвижность параметров сверхрешетки, температуры и концентрации носителей.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в работе результаты используются для анализа вопросов о выборе оптимального профиля легирования приповерхностного слоя и о выборе режима легирования при создании эмиттеров поляризованных электронов. Показана возможность оценки параметров эмиттеров по экспериментальным данным и пути повышения их качества. Оценены предельные значения параметров эмиттеров на основе тонких слоев GaAs.

Основные результаты работы содержатся в 7 публикациях:

1. L.G.Gerchikov, B.D.Oskotskij and A.V.Subashiev, " Effect of band mixing on hole transport along the axis of semiconductor superlattice." Phys. Rev. B, 50, 15416 (1994).

2. L.G.Gerchikov, B.D.Oskotskij and A.V.Subashiev, International Symposium on nanostructures: Physics and Technology, St .-Petersburg, 1994, Book of abstracts, p.56.

3. B.D.Oskotskij, A.V.Subashiev, and Yu.A.Mamaev, "Photoemission and polarized luminescence spectra of the strained semiconductor layers", 9th International Vacuum Microelectronics Conference, St .-Petersburg,

Russia, 1996, Technical Digest, p. 656.

4. B.D.Oskotskij, A.V.Subashiev, and Yu.A.Mamaev," Polarized photoemission spectra of the strained semiconductors layers", Phys. Low Dim. Struct., 1/2 (1997) 77.

5. L.G.Gerchikov, B.D.Oskotskij and A.V.Subashiev, "Band Bending Region Fluctuations in Photoemission from Semiconductors with Negative Electron Affinity", in Proc. of 12th International Symposium on High-Energy Spin Physics, Amsterdam, 1996, ed. by C.W.D. de Jager et al., World Scientific, 1997, p. 746.

6. Б.Д. Оскотский, А.В. Субашиев и JI.Г. Герчиков, "Флукту-ационные явления в эмиссии поляризованных электронов из полупроводниковых пленок с отрицательным электронным сродством." Тезисы III Российской конференции по физике полупроводников, стр.327. Москва, декабрь 1997.

7. B.D.Oskotskij, A.V.Subashiev, and L.G.Gerchikov,"Surface Potential Fluctuations in Negative Electron Affinity State Formation", in Polarized Gas Targets and Polarized Beams, 7-th Int. Workshop, Urbana, 1997, ed. by R. Holt et al., AIP Conf. Proc. 421, 1998, p. 491.

Первый раздел введения содержит краткий обзор физических явлений, лежащих в основе работы современных эмиттеров и круга проблем, связанных с улучшением их характеристик. Во втором разделе введения приводится расположение материала по главам и формулируются результаты, выносимые на защиту.

1.1 Генерация поляризованных электронов

Во всех экспериментах, использующих пучки поляризованных электронов, экспериментальная информация извлекается из измерения спин-зависимой ассиметрии, т.е. небольших различий сигнала, отвечающего изменению вектора поляризации электронного пучка Р. Поэтому в эксперименте требуется интенсивный электронный пучок с высокой степенью поляризации и высокой стабиль-

ностью при изменении направления поляризации.

Как уже отмечалось, наиболее эффективными для таких экспериментов являются источники поляризованных электронов, основанные на фотоэмиссии из ОаАв или близких ему соединений, при возбуждении циркулярно-поляризованным светом.

Фотоэмиттеры высоко поляризованных электронов используют два хорошо изученных физических явления в полупроводниках:

1. оптическую ориентацию электронов [2];

2. падение работы выхода полупроводника и получение состояния с отрицательным электронным сродством после специальной процедуры, называемой активацией поверхности [3].

Рис. 1.1а иллюстрирует принцип оптической ориентации спина в кубической структуре ОаАв. Волновые функции, описывающие электроны на дне зоны проводимости, имеют 5-симметрию в точке Г зоны Бриллюэна, а волновые функции, описывающие электроны валентной зоны на краю, обладают симметрией четырехкратно вырожденных состояний с угловым моментом 1 = 3/2. Разрешенными (при поглощении циркулярно-поляризованного света (<т+)) оказываются два оптических перехода в зону проводимости, которые дают конечные состояния, соответствующие проекциям спина т3 = —1/2 и т3 = 1/2. Для условий симметрии ОаАв вероятность перехода в состояние зоны проводимости т3 = —1/2 в три раза больше, чем для т3 = 1/2. Это приводит к тому, что поляризация электронов в зоне проводимости оказывается равной Р = -50%.

Спиновая поляризация электрона определяется как:

р = (1.1)

где п+ (п_) - число электронов со спином, параллельным (антипараллельным) оси квантования, направленной вдоль направления распространения возбуждающего света. Знак поляризации можно

Рис. 1.1: Оптическая спиновая ориентация в А3Б5 полупроводниковых слоях: зонная структура в Г точке зоны Бриллюэна в ненапряженном (а) и напряженном (б) кристалле. Стрелки показывают межзонные переходы при возбуждении циркулярно поляризованным а+ (или <т~ ) светом (цифры показывают относительную вероятность переходов), Д - спин-орбитальное расщепление валентной зоны, - деформационное расщепление в напряженном слое

изменить простым изменением направления круговой поляризации возбуждающего света.

Эмиссия электронов достигается снижением электронного сродства эмиттирующей поверхности. Для сильно р— легированных кристаллов энергетические зоны оказываются изогнуты вниз к поверхности, что понижает уровень вакуума. Дополнительная активация кристаллов ОаАв путем нанесения субмонослоя С в + О (или С я + ^) на атомно чистую поверхность в комбинации с изгибом зон, приводит к состоянию отрицательного электронного сродства на поверхности [3]. В этом случае, если на кристалл подано отрицательное смещающее напряжение, электроны зоны проводимости могут выйти в вакуум, туннелируя через узкий потенциальный барьер к поверхности с отрицательным электронным сродством. Из рис. 1.1а следует, что увеличение поляризации возбужденных электронов может быть получено при снятии орбитального вырождения вершины валентной зоны и раздельном возбуждении одиночных межзонных переходов рис. 1.16. Вырождение может быть снято снижением кубической симметрии решетки ОаАв до тетрагональной симметрии с помощью одноосного напряжения вдоль кристаллографического направления [100] или двухосного напряжения в плоскости (100) [4]. В последние годы эта идея успешно используется в полупроводниковых гетероструктурах, в которых решеточное несоответствие приводит к остаточным напряжениям в верхнем слое. В тонких напряженных эпитаксиальных слоях ОаАв, выращенных на толстой подложке с меньшей решеточной постоянной, двуосное напряжение в плоскости (100) увеличивает величину запрещенной зоны, поднимает вверх зону тяжелых и понижает зону легких дырок рис. 1.16. Расщепление _Р3/2 мультиплета состояний максимума валентной зоны изменяет оптическое поглощение на краю, позволяя возбуждение из одной зоны, что ведет к значительному возрастанию поляризации по сравнению с ненапряженным кристаллом. Благодаря малости расщепления кристаллического поля вероятности

перехода остаются приблизительно теми же, что и в случае ненапряженного GaAs. Для того, чтобы могли эммитироваться только электроны из напряженного слоя, при соответствующем пороге фотовозбуждения, величина запрещенной зоны подложки должна быть больше, чем для верхнего слоя. В начале 1991г. было сообщено о достижении поляризации электронов свыше 50%, которая была получена на структурах с напряженным InGaAs на GaAs буферной подложке [1] и GaAs на GaAsP [24, 30].

Для получения высокого значения спиновой поляризации электронов, расщепление валентной зоны активного слоя Д^/ должно быть больше, чем энергия зонных хвостов в р-легированном образце, значение которой, при уровне легирования Na = 3 * 1018 см-3 и комнатной температуре, составляет порядка 30 мэВ. Обычно, для получения необходимого расщепления достаточно упругого напряжения около 1%. Для таких напряжений величина критической толщины напряженного слоя GaAs (Нс) составляет 10-20 нм. Так как необходимая для получения достаточного квантового выхода (У) толщина эпитаксиального слоя, по крайней мере, равна 100 нм, то возникающие в процессе роста свыше Нс дислокации несоответствия приводят к пластической релаксации.

Для снижения релаксационных эффектов был предложен [5] специальный тип гетероструктур, включающий в себя напряженную высоко р-легированную тонкую пленку GaAs, выращенную на GaAsP псевдоподложке таким образом, что достигается однородное напряжение в активном слое. Напряжением, созданным таким образом, было достигнуто энергетическое расщепление Аdef > 40 мэВ. Так что сегодня обычно получаемая спиновая поляризация фотоэлектронов составляет около 80%. Наиболее подходящей для выращивания напряженных гетероструктур с фосфорсодержащими компонентами оказывается MOCVD-технология.

Различные исследования катодов с напряженным слоем (см., например, [1, 5, 6, 7, 8, 9, 24, 30]) показали, что дальнейшее усовер-

шенствование ограничено требованиями к параметрам гетерострук-туры катода противоположного характера. Для большинства применений требуется высокий квантовый выход, что подразумевает определенный минимум толщины эпитаксиального слоя. Необходимая, одновременно, высокая поляризация может быть достигнута лишь при высоком напряжении в эпитаксиальном слое. Однако, слои с высоким напряжением имеют малые значения толщины критического слоя, выше которых напряжение в основном релаксиро-вано благодаря структурным дефектам. Эти дефекты будут приводить к росту скорости спиновой релаксации и, таким образом, к потерям в поляризации.

Альтернативными источниками высокополяризованных электронов, которые имеют потенциал для дальнейшего развития, являются сверхрешеточные структуры, особенно напряженные короткопе-риодические сверхрешетки со специально рассчитанными толщинами и составом слоев [10, 11, 12, 13]. Они состоят из нескольких (10-12) тонких напряженных пленок (для примера, ¡пСаАв), разделенных слоями ненапряженного материала с большей шириной запрещенной зоны (ОаАв или АПпОаАз). Такая комбинация создает барьер в дырочном транспорте, но оставляет высокой электронную подвижность. Эти структуры могут быть выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии. С точки зрения роста совершенного кристалла, каждая отдельная напряженная пленка сверхрешетки может быть выращена меньшей, чем критическая, толщины, но общая толщина всех напряженных пленок может иметь величину, значительно большую Нс и, поэтому, быть достаточной для получения высокого значения квантового выхода. Другим преимуществом сверхрешеток, является дополнительное расщепление мини-зон тяжелой и легкой дырок в валентной зоне, вызванное дырочной локализацией в сверхрешеточных квантовых ямах, которое может (в случае глубокой и узкой квантовой ямы для дырок) превосходить расщепление, вызванное напряжением. Вдобавок, технология

молекулярно-лучевой эпитаксии дает возможность точного модулированного легирования активного слоя (низкая средняя концентрация легирования и высокая концентрация в области изгиба зон), что приводит к малым потерям в поляризации во время выхода электрона из активного слоя и области изгиба зон в вакуум.

1.2 Содержание диссертации

Первая глава содержит теоретическое исследование спектральных характеристик фотоэмиттеров спин-поляризованных электронов в рамках трехступенчатой диффузионной модели.

Во второй главе рассматривается люминесценция напряженных слоев фотоэмиттеров.

Третья глава посвящена моделированию методом Монте-Карло флуктуационного потенциала поверхности фотокатодов и расчету его характеристик. Смоделирована динамика приповерхностного изгиба зон в процессе цезирования и активирования поверхности. Рассмотрено влияние флуктуаций потенциала на кинетику электронов в области пространственного заряда.

В четвертой главе рассмотрено влияние перемешивания зон состояний тяжелых и легких дырок на низкополевую подвижность тяжелых дырок вдоль направления роста полупроводниковой сверхрешетки.

При решении поставленных задач впервые получены следующие результаты:

Трехступенчатая диффузионная моде