Инфракрасная фурье-спектроскопия микро- и наноструктур на основе InAs и InSb тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Фирсов Дмитрий Дмитриевич

ИНФРАКРАСНАЯ ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОГШЯ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР

НА ОСНОВЕ ТпАэ и ТпЯЬ

01.04.10 — физика полупроводников

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

2 3 ОКТ 2014

Санкт-Петербург - 2014

005553531

005553531

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» на кафедре микро-и наноэлектроники.

Научный руководитель: Пихтин Александр Николаевич,

доктор физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты: Соколовский Григорий Семёнович,

доктор физико-математических наук, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, ведущий научный сотрудник

Бондаренко Антон Сергеевич, кандидат физико-математических наук, Санкт-Петербургский Государственный Университет, научный сотрудник

Ведущая организация: Санкт-Петербургский национальный

исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

Защита состоится «11» декабря 2014 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.238.04 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ) по адресу: 197376 Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и на сайте: www.eltech.ru.

Автореферат разослан «10» октября 2014 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.238.04

д.ф.-м.н., проф.

Мошников В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования

Узкозонные полупроводниковые соединения ¡пБЬ, ГпАэ и наногетероструктуры на их основе являются объектом неослабевающего интереса, обусловленного широкой областью их практического использования. Эпитаксиальные слои 1пБЬ и 1пАб находят применение в многочисленных классах полупроводниковых приборов, в том числе инфракрасных (ИК) фотоприёмных устройствах (включая приборы ночного видения) и датчиках магнитного поля. Наноструктуры на основе указанных бинарных соединений, излучающие в среднем ИК диапазоне, перспективны для создания светодиодов и лазеров, работающих в области спектра 3-6 мкм. Оптоэлектронные приборы данного диапазона представляют существенный интерес для применения в медицинской технике, приборах экологического контроля и системах скрытой беспроводной связи.. Благодаря уникальным фундаментальным свойствам 1п8Ь, таким как малая эффективная масса и рекордные значения подвижности электронов при комнатной температуре, гетер оструктуры 1п8Ь/А1х1п|.х5Ь актуальны также и как материал для СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ).

Наличие подробной информации об оптических свойствах узкозонных материалов и структур является необходимым условием проектирования приборов ИК оптоэлектроники. Знание показателей поглощения и преломления при различном легировании, учёт особенностей зонной структуры позволяют определять оптимальные параметры создаваемых микро- и наноструктур.

Наиболее эффективным экспериментальным методом изучения оптических свойств узкозонных материалов в ИК диапазоне является фурье-спектроскопия. Благодаря высокой светосиле и эффективному накоплению сигнала фурье-спектрометры позволяют регистрировать спектры пропускания, отражения и люминесценции с наиболее высоким соотношением "сигнал/шум".

В то же время, один из наиболее информативных оптических методов исследования полупроводниковых структур - модуляционная спектроскопия - в среднем ИК диапазоне практически не применяется по причине недостаточной светосилы классических установок на базе дифракционных спектрометров. Соответственно, представляется актуальной реализация нового метода

модуляционной спектроскопии на основе фурье-спектрометра, который позволит обойти существующие ограничения при изучении оптических свойств узкозонных полупроводников.

Цель работы - изучение оптических свойств ряда микро- и наноструктур ГпАв и ГпБЬ, результаты которого позволят определять оптимальные параметры при проектировании и изготовлении приборов и устройств на их основе. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка на основе инфракрасного фурье-спектрометра оригинального метода фотомодуляционной оптической спектроскопии, эффективного для определения параметров узкозонных материалов и систем. Апробация реализованного метода, применение к исследованию структур на основе 1п8Ь.

2. Изучение влияния параметров монослойных вставок ¡пБЬ на люминесцентные свойства эпитаксиальных наноструктур 1п8Ь/1пАз. Определение структуры, подходящей для создания излучателей диапазона 4-5 мкм, способных работать при комнатной температуре.

3. Определение основных оптических характеристик эпитаксиального твёрдого раствора АЦп^БЬ, являющегося оптимальным барьерным материалом для гетеросистем на основе 1п8Ь. Нахождение энергетического спектра квантовых ям 1п8Ь/А1х1п1.х8Ь, востребованных для создания ИК излучателей и сверхвысокочастотных НЕМТ структур.

4. Оценка влияния легирования подложек на спектральные характеристики и эффективность фотоприёмных микроструктур п-1пА5/п++-1пА5, освещаемых со стороны подложки. Реализация неразрушающей методики контроля толщин рабочих слоёв п-1пАв по спектрам инфракрасного отражения.

Методы исследования и использованная аппаратура:

Исследования проводились методом инфракрасной фурье-спектроскопии, включая реализованные методики регистрации фотолюминесценции (ФЛ) и фотомодуляционного отражения. Исследуемые структуры получены методами молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), и эпитаксии из газовой фазы. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Аномальный коротковолновый сдвиг пика фотолюминесценции наноструктур 1п8ЬЛпАз с повышением температуры обусловлен термическим заполнением

локализованных состояний, возникающих за счёт флуктуации толщины и состава в экстрамонослойных вставках 1п5Ь.

2. Зависимость энергии прямого межзонного перехода Е^(х) от состава твёрдого раствора А1х1п1.х8Ь в диапазоне 0<х<0.52 имеет коэффициент нелинейности с = 0.32±0.06 эВ.

3. Выбор уровня легирования подложек фотоприёмных структур п-1пА5/п++-1пА5 позволяет не только изменять спектральный диапазон чувствительности, но и управлять поглощением в рабочем слое п-1пАз при облучении через сильнолегированную подложку.

4. Получение модуляционного оптического спектра полупроводниковых структур методом инфракрасной фурье-спектроскопии требует учёта фазы сигнала, определяемой в отсутствие внешней модуляции свойств этих структур.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получена уточнённая зависимость прямой ширины запрещённой зоны от состава ненапряжённого твёрдого раствора А1Х1П].Х8Ь, выращенного методом МПЭ на полуизолирующей подложке йаАз.

2. Впервые эксперимеЕггально определены спектральные зависимости показателя преломления п{Е) А1Х1П|.Х8Ь различного состава в области энергий вблизи края фундаментального поглощения, в том числе для Е > ЕЁг.

3. Показана возможность определения ширины квантовых ям ¡пБЬ/АЦп^БЬ посредством сопоставления экспериментально полученных спектров фотолюминесценции с энергетическим спектром, рассчитанным по 8-зонной модели Кейна с учётом механических напряжений.

4. На основе экспериментальных данных проведена оценка поглощения света в рабочем слое фоточувствительных структур п-1пА5/п++-1пАз, освещаемых через подложку. Показано влияние степени легирования подложек п^ЛпАв на спектральные характеристики структур.

5. Для наноструктур 1п8Ь/1пАз с толщиной вставок 1п8Ь более 1 монослоя впервые экспериментально наблюдался аномальный коротковолновый сдвиг фотолюминесценции с ростом температуры в диапазоне 12-80 К.

6. Сформулирован алгоритм обработки модуляционного сигнала, который позволяет определять знак экстремумов модуляционных оптических спектров, регистрируемых на фурьё-спектрометре.

7, Впервые получен и проанализирован спектр фотоотражения объёмного InSb в диапазоне 2 - 10 мкм.

Обоснованность и достоверность полученных научных результатов подтверждается сопоставлением полученных экспериментально данных с результатами измерений независимыми методами, теоретическими моделями, и современными литературными данными.

Научная и практическая значимость работы сводится к следующему:

1. Получена существенная информация об оптических свойствах структур на основе InAs, InSb и AlxIni.xSb, которая может быть использована при разработке ИК фотоприёмных и светоизлучающих устройств;

2. Реализованы интерференционные методики измерений толщин эпитаксиальных структур InAs, InSb и AlxIn].xSb с учётом спектральной зависимости показателя преломления;

3. Реализован метод фотомодуляционной фурье-спектроскопии, позволяющий характеризовать узкозонные системы благодаря повышенной эффективности в среднем ИК диапазоне.

Внедрение результатов исследования

Результаты диссертационных исследований были использованы в хоздоговорных и госбюджетных НИР в 2012-2014 гг. Разработанная неразрушающая методика определения толщин эпитаксиальных слоев n-InAs на n—InAs подложках внедрена на технологической базе ОАО «ЦНИИ «Электрон». Аналогичная методика для гетероструктур InSb/AlInSb/GaAs также используется в Лаборатории квантово-размерных гетероструктур ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. Методика определения оптических постоянных полупроводниковых структур внедрена в учебный процесс в СПбГЭТУ в рамках курса "Методы диагностики структур наноэлектроники и фотоники".

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: 15th International Conference on Narrow Gap Systems (USA; 2011), XXII

и XXIV Международные научно-технических конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва; 2012 и 2014), 11 Российская конференция по физике полупроводников (Санкт-Петербург; 2013), 1st International School and Conference Saint-Petersburg OPEN2014 (Saint-Petersburg; 2014), 22nd International Symposium Nanostructures: Physics and Technology (Saint-Petersburg; 2014) и др.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах, 2 работы приняты к публикации. Из них 7 публикаций в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в перечне ВАК; 4 публикации в трудах научно-технических конференций.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 148 страницах машинописного текста. Диссертация включает 58 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 118 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проводимых в работе исследований, сформулированы цель и задачи работы, излагаются её научная новизна, практическая значимость и представленные к защите научные положения.

Первая глава работы носит обзорный характер и посвящается литературным данным по электронным и оптическим свойствам InSb, InAs и структур на их основе. Проведён обзор современных публикаций, рассматривающих перспективные гетеро-структуры на основе InSb, включая квантовые ямы InSb/AlxIni.xSb и структуры с мо-нослойными InSb вставками в матрице InAs.

Также описываются основы метода инфракрасной фурье-спектроскопии, являющегося наиболее подходящим для изучения оптических свойств узкозонных структур. Детально поясняются принцип работы фурье-спектрометров, особенности регистрации интерферограммы и алгоритмы её преобразования в спектр излучения.

Вторая глава посвящена реализации оригинального метода инфракрасной модуляционной спектроскопии на основе фурье-спектрометра.

В параграфе 2.1 показана актуальность разработки метода модуляционной оптической спектроскопии для среднего ИК диапазона.

Параграф 2.2 содержит описание параметров используемой экспериментальной системы и методик проводимых измерений. Экспериментальная установка основывается на фурье-спекгрометре Vertex 80, система регистрации сигнала которого доработана для использования синхронного усиления. Оптическая схема позволяет проводить измерения пропускания и отражения света в диапазоне 0.4-28 мкм, а также спектров люминесценции.

В параграфе 2.3 выявлены ключевые особенности регистрации и фурье-преобразования модуляционного сигнала, показана необходимость учёта фазы в ходе преобразования для сохранения информации о знаке спектра.

Апробация реализуемого метода модуляционной фурье-спектроскопии проводилась на примере структуры с одиночной квантовой ямой (КЯ) InxGa!.xAs/GaAs. Спектр ненормированного фотоотражения AR данной структуры в ближнем ИК диа-

0.5

0.0

-0.5

ю

-

о 1

С'

% 0

GaAs Экситонные переходы в КЯ

Решёточный спектрометр

Фурье-спектрометр: стандартная обработка сигнала

0.85 0.90

1.05 1.10

пазоне, полученный ранее при помощи классической установки на основе спектрометра с дифракционной решёткой, показан на рис. 1 (а). В спектре наблюдается ряд экстремумов различного знака, соответствующих осцил-ляциям Франца-Келдыша в ОаАв, и экситонным переходам в

0.95 1.00 X, мкм

Рис. 1 Спектры фотоотражения структуры с одиноч- квантовой яме.

ной КЯ 1по.2250ао.775А5/ОаАз шириной 15 нм, полу- Спектр той же структуры

ченные на дифракционном приборе, и на фурье- при аналогичной модуляции от-

спектрометре

ражения лазерным излучением, измеренный на фурье-спектрометре со стандартной обработкой сигнала, приведён на рис. 1(6). Заметно, что спектр существенно искажён по сравнению с рис. 1(а), что делает невозможной его корректную интерпретацию.

Сложности при измерении модуляционных спектров в фурье-спектроскопии связаны с тем, что для получения спектра непосредственно регистрируемый сигнал подвергается прямому преобразованию Фурье. Результат преобразования - комплексный спектр: Б(у) = 50(у)е1ч,(у^ , где v - волновое число (v = 1Д, X - длина вол-

ны). Информация о знаке регистрируемого сигнала содержится в фазе <p(v), на которую также влияют параметры оптической схемы. В стандартных алгоритмах обработки сигнала фаза исключается, что позволяет получить вещественный спектр интенсивности излучения. Однако при таком подходе утрачивается информация о знаке спектра, так как выполняется равенство: — S0(y)ei(p^ = S0(v)e'^v)+"1. Соответственно, стандартная фурье-спектроскопия не позволяет получать модуляционные спектры, поскольку их знак не известен заранее.

В данной работе показано, что спектр, содержащий сигналы различного знака (например, ненормированный спектр модуляционного отражения AR), может быть получен по формуле, учитывающей фазу: ДR(y) = /?e[Süi!(v)e~l<p<^]. Здесь S^v) -комплексный спектр, вычисленный в результате фурье-преобразования сигнала модуляционного отражения ДЛ, а ср(у) = arg [SR(v)] - фаза, которая определялась для сигнала немодулированного отражённого излучения R, заведомо являющегося положительным.

Соответствующий спектр фотоотражения КЯ In0.225Gao.775As/GaAs, полученный на фурье-спектрометре с учётом фазы, показан на рис. 1(в). Данный спектр хорошо согласуется с результатами классического метода фотоотражения на решёточном спектрометре.

Параграф 2.4. В среднем ИК диапазоне разработанный метод был применён к структурам с нелегированными эпитаксиальными слоями InSb, выращенным по технологии МПЭ на InSb подложке. Спектр фотоотражения такой структуры в интервале длин волн 2-10 мкм показан на рис. 2.

Полученный результат подтверждает эффективность реализованного метода, и является первым измерением фотоотражения объёмного InSb.

X, мкм

0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 Е, эВ

Рис. 2 Спектр фотоотражения СхК/К эпитаксиально-го 1пБЬ и приведённый для сравнения спектр фотолюминесценции (ФЛ)

В третьей главе исследуется ряд узкозонных наногетероструктур МЬЛпАв, перспективных для создания излучателей среднего ИК диапазона.

В параграфе 3.1 описываются исследуемые наноструктуры типа II ШБЬЯпАз, содержащие вставки 1п8Ь номинальной толщиной от 1 до 1.9 монослоя (МС). Структуры включали от 10 до 50 вставок 1п8Ь, разделенных между собой барьерами 1пАз толщиной 5-20 нм, и были выращены методом МПЭ на подложках (001) 1пАэ и (001) Са8Ь. Для эффективного измерения фотолюминесценции в ИК диапазоне была реализована методика с синхронным усилением полезного сигнала, позволяющая одновременно исключить фоновое тепловое излучение.

Параграф 3.2 посвящён определению фотолюминесцентных свойств наноструктур 1п8Ь/1пАз. В спектрах ФЛ наблюдалась интенсивная линия в диапазоне 3.5-6 мкм (рис. 3), соответствующая излучательной рекомбинации дырок, локализованных в 1п8Ь, и электронов из матрицы ГпАб. Зависимость энергии пика ФЛ от мощности Р возбуждающего лазера продемонстрировала характерное для гетероструктур типа II смещение пропорционально Риз, связанное с возникновением на гетерограницах потенциальных ям для электронов.

Показано, что увеличение толщины слоёв 1п5Ь от 1 монослоя до и 1.5 МС приводит к существенному смещению линии ФЛ в длинноволновую область с сохранением её интенсивности при криогенной температуре. Структуры с толщиной 1п8Ь я 1.5 МС также демонстрируют более яркую ФЛ при повышении температуры вплоть до 300 К, что обусловлено увеличением энергии локализации дырок, препятствующим их термическому Рис. 3 Спектры ФЛ наноструктуры 1пЗЬ/1пЛз выбросу в 1пАб матрицу/Однако при с толщиной вставок ЬЭЬ 1.5 монослоя дальнейшем повышении толщины вставок до ~ 1.9 МС (величины, близкой к критической толщине для 1п8Ь на 1пАв) интенсивность ФЛ значительно снижается, что, вероятно, вызвано ростом плотности дефектов.

А, мкм 4

ьгёьлпав ¡пав

1 , \ Т= 12 к

/ '; -" - Л Т- 160 к

__Уч

------------

0.30 0.35. Е, эв

В параграфе 3.3 эффекты локализации носителей в наноструктурах 1п8МпАз изучаются более детально посредством анализа температурных зависимостей их фотолюминесценции.

С повышением температуры от 12 К до ~ 80 К было выявлено аномальное коротковолновое смещение пика ФЛ вставок 1п8Ь, показанное на рис. 4. Подобные эффекты в полупроводниковых структурах связываются с термическим заполнением уширенных состояний [1]. Заселённость таких состояний сдвигается по энергии относительно максимума их плотности на -о2/кТ, где о - дисперсия уширения, к - постоянная Больцмана. С ростом температуры

о 25 50 75 100 115 150 175 200 225 250 275 300

Т, К

Рис. 4 Температурная зависимость энергии пика ФЛ для различных структур ¡пБЬЛпАз. Точки -экспериментальные ранные, линии - расчёт

этот сдвиг уменьшается, что приводит к смещению пика люминесценции в сторону больших энергий. Одновременно на энергию излучения влияет и температурное изменение ширины запрещённой зоны соответствующих материалов, которое становится определяющим при высоких Т.

Применение данной модели для описания наблюдаемой температурной зависимости пика ФЛ наноструктур ГпБЬЛпАз демонстрирует хорошее согласие с экспериментальными данными (рис. 4). Расчётная величина дисперсии распределения, соответствующей уширению состояний, составила о = 4-5 мэВ.

Полученные результаты позволяют заключить, что наблюдаемый сдвиг фотолюминесценции в сторону высоких энергий соответствует термическому заполнению локализованных состояний, возникающих за счёт флуктуации толщины и состава вставок 1пБЬ. Благодаря данному эффекту наноструктуры 1п8Ь/1пАб обладают большей температурной стабильностью люминесценции по сравнению с объёмными материалами.

1 Eliseev P.G. Journal of applied physics. - 2003. - Т. 93. - №. 9. - С. 5404-5415

11

В четвёртой главе исследуются оптические свойства эпитаксиальных структур на основе InSb и твёрдых растворов AlxIni.„Sb, включая структуры с квантовыми ямами InSb/AlxIni.xSb.

В параграфе 4.1 описываются исследуемые структуры, представляющие собой ненапряжённые эпитаксиальные слои InSb и твёрдого раствора AIxIn1.xSb, выращенные на полуизолирующих подложках GaAs (100) с буферными слоями AlSb методом МПЭ. Диапазон составов AlxIni.xSb составляет х-0- 0.52, и соответствует прямо-зонным твёрдым растворам (х < 0.6). В структурах, содержащих одиночные КЯ InSb/AlxIni_xSb, с целью снижения плотности дефектов формировались короткопери-одные сверхрешётки InSb/AlxIni.xSb.

Параграф 4.2 посвящён определению оптической ширины запрещённой зоны Egr для AlxIni.xSb, и её зависимости от состава х твёрдого раствора. Показано, что полученные спектры поглощения AlxIn-|.xSb могут быть описаны моделью Кейна для края собственного поглощения прямозонных полупроводников с непараболичной зоной проводимости. Соответствующая аппроксимация позволила определить ширину запрещённой зоны для AlxIn|.xSb.

Сопоставление полученных данных с информацией о составах х эпитаксиальных слоёв AlxIn!_xSb, полученной методом рентгеноспектрального микроанализа, позволило получить зависимость Egr(x). Данная зависимость описывается аналитической функцией вида: E¡(x) = £/(0) + [£/(1) - £/(0)]х -сх{ 1 - х), где £/(1) = 2.3 эВ и Eg{0) = 0.175 эВ - энергии прямых межзонных переходов в точке Г для AlSb и InSb. Полученное значение коэффициента провисания составило с = 0.32±0.06 эВ. Данный результат уточняет единственные имеющиеся в литературе данные (с = 0.43 эВ), найт денные на основе единичной серии образцов AlxIn1.xSb с градиентами по составу х порядка 10% [2].

2 Isomura S., Prat F. G. D., Woolley J. C. Electroreflectance Spectra of AlxIni.xSb Alloys //Physica Status Solidi (b). - 1974. - T. 65. - №. 1. - C. 213-219.

12

В параграфе 4.3 экспериментально получены спектральные зависимости показателя преломления п(Е) для 1п8Ь и А1х1п[.х8Ь вблизи края собственного поглощения. На зависимостях п{Е), аналогичных показанной на рис. 5, наблюдаются характерные пики вблизи энергии Е^. Дальнейший рост показателя преломления обусловлен, согласно современным модельным представлениям, вкладом переходов Е^. Обзор литературы не дал ранее

опубликованных эксперимен- .

применимой в области прозрачности (Е <

тальных результатов по зависимости л(Е) для А1х1п|.х8Ь. Полученные данные п(Е) задействованы в разработанной интерференционной методике контроля толщин эпитаксиальных слоёв ¡пБЬ и А1х1п1.х8Ь на подложке ОэАб.

В параграфе 4.4 рассматриваются фотолюминесцентные свойства квантовых ям 1п8Ь/А1х1п|.х8Ь и осуществляется интерпретация их спектра. Схема расположения слоёв в структуре приведена на рис. 6(а).

Измерения проводились в режиме пошагового сканирования фурье-спектрометра, что позволяло осуществлять синхронное усиление сигнала ФЛ и исключать тепловой фон. Исследуемые структуры продемонстрировали ФЛ КЯ в диапазоне 3.5 - 5.5 мкм, типичные спектры которой приведены на рис. 6(6). Наряду с основным максимумом в спектрах наблюдается ряд пиков, соответствующих переходам с более высоких энергетических состояшш в КЯ.

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Е, эВ

Рис. 5 Пример спектральной зависимости показателя преломления А1х1п1.х8Ь. Точки - экспериментальные данные, линия - результаты расчёта по модели [3],

3 Пихтин А. Н., Яськов А.Д. Рефракция света в полупроводниках: Обзор //Физика и техника полупроводников. - 1988. - Т. 22.-№. 6. - С. 969-992.

13

А £

i i o

GaAs AISb

(1,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,32 0,34 я,зв

12*(Al0]]InosgSb/InSb) Al0„ln„,Sb A10„ln„9Sb

""uuuumj-

o-Te

Сравнение спектров с результатами расчётов уровней размерного квантования в КЯ InSb/AlxIn|.xSb, выполненных в рамках 8-зонной модели Кейна с учётом механических

" напряжений, позволило Рис. 6 Профиль ширины запрещённой зоны типичной структу- интерпретировать нары с КЯ вдоль направления роста (а), спектры ФЛ данной блюдаемые пики ФЛ. структуры (б). Стрелками показаны энергии излучательных ^ продемонс1рирован переходов в КЯ InSb/Alo i iln0 g9Sb шириной 30 нм

алгоритм определения

толщин квантовых ям InSb/AlxIni.xSb посредством сопоставления экспериментально полученных спектров фотолюминесценции с расчётным энергетическим спектром.

Пятая глава посвящена исследованию оптических свойств фотоприёмных микроструктур n-InAs/n^-InAs с различным легированием подложки.

В параграфе 5.1 описываются исследуемые сильнолегированные серой подложки n++-InAs, а также структуры с автоэпитаксиальными слоями n-InAs на таких подложках, выращенные эпитаксией из газовой фазы по хлоридно-гидридной методике. Концентрация носителей в легированном n++-InAs составляла от 6-1017 до 3-1018 см'3. Спектры отражения и пропускания измерялись при комнатной и криогенных температурах.

Параграф 5.2 посвящен реализации неразрушающей методики определения толщин эпитаксиальных слоёв n-InAs, основанной на интерференционных эффектах в спектрах отражения автоэпитаксиальных структур n-InAs/n^-InAs. Были получены необходимые для применения методики параметры, выбран оптимальный спектральный диапазон. Проведённое сравнение с независимой разрушающей методикой определения толщин эпитаксиального слоя (металлографическим методом) показало хорошее совпадение результатов.

В параграфе 5.3 описывается экспериментальное определение и анализ спектра показателя поглощения для n++-InAs с различной степенью легирования. Полу-

пенные спектры количественно характеризуют величину сдвига края собственного поглощения, обусловленного эффектом Бурштейна-Мосса, а также интенсивность поглощения на свободных носителях.

В параграфе 5.4 проведена оценка поглощения света в рабочем слое фоточувствительных микроструктур п-1пАз/п++-1пАз при засветке со стороны п++-1пАз подложки. Соответствующие расчёты производилась на основе экспериментальных данных по отражению и пропуска-

нию эпитаксиальных структур при различных температурах, а также спектров поглощения п++-1пАз с различной степенью легирования. Полученные результаты дают возможность подбирать оптимальный уровень легирования фоточувствительных структур п-1пА5/п+'-1пА5, исходя

<40 35

Ьзо

1 25 с

о

О 20

0 ш

% 15

5

1 10

о • ч

и. .

о 5

с

о

г\

Т = 83К

Подложки п++-1г,Аз". _

/ -п=5.9*10"см") •

:' '' / 1 -------п=1.5*10'8см*3 "

/ 1 ■ I ------ п=1.8*Ю1исм"3

III -п=2.3*10"см"' ■

2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Длина волны X, мкм

из требуемого спектрального диа- Рис 7 Доля света; ПОГЛощаемая рабочим слоем фо-пазона и рабочей температуры, топриемных структур п-1пА5/п'+-1пАз с различным Повышение степени легирования уровнем легирования позволяет расширить спектральный диапазон вплоть до X = 2.4 мкм, а использование слаболегированных подложек повышает долю излучения, поглощаемую в рабочем слое п-1пАз.

В заключении сформулированы наиболее важные результаты исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Определена зависимость ширины прямой запрещённой зоны от состава твёрдого раствора А1Х1П|_Х8Ь. Коэффициент провисания зависимости Е&г(х) составляет с = 0.32±0.0бэВ.

2. На основе экспериментальных данных получена спектральная зависимость показателя преломления 1пБЬ и А1х1п1.х8Ь в области края фундаментального поглощения, включая область Е >

3. Охарактеризованы фотолюминесцентные свойства 1п8Ь/А1х1п|.х8Ь квантовых ям при различных температурах. Наблюдаемые излучательные переходы

идентифицированы с использованием расчётов энергетического спектра КЯ по 8-зонной модели Кейна с учётом механических напряжений.

4. Экспериментально оценено влияние степени легирования на оптическое поглощение п"-1пАя при различных температурах, получены спектры показателя поглощения эпитаксиальных п-1пАз слоёв на п++-1пАэ подложках.

5. Проведена оценка поглощения света в рабочем слое фоточувствительных микроструктур п-ГпАз/п^-ГпАб, освещаемых со стороны подложки. Получены результаты, позволяющие выбрать степень легирования п++-1пАз в зависимости от требуемого спектрального диапазона и рабочей температуры.

6. Реализована методика определения толщин слоёв 1п8Ь, А1х1п|.х8Ь и пЛпАв за счёт интерференционной картины, наблюдаемой в спектрах отражения эпитаксиальных структур.

7. Показано, что варьирование толщин экстрамонослоёв 1пБЬ позволяет задавать люминесцентные свойства 1п8ЬЛпАз наноструктур. Увеличение толщины вставок 1пвЬ от 1 монослоя до = 1.5 монослоёв приводит к смещению пика ФЛ от 3.5до5мкм (для Т = 80 К), а также повышает температурную стабильность интенсивности излучения, что обуславливается более глубоким залеганием дырочных уровней.

8. С повышением мощности возбуждения Р происходит сдвиг энергии максимума ФЛ наноструктур ГпЭЬЯпЛб пропорционально Рт, характерный для гетероструктур типа И. При повышении температуры до =80 К наблюдается аномальный коротковолновый сдвиг люминесценции, связанный с термическим заполнением локализованных состояний в ГпБЬ вставках.

9. Реализован оригинальный метод фотомодуляционной спектроскопии на основе фурье-спектрометра, эффективный в ИК диапазоне.

10. Проведена апробация разработанного метода в ближнем ИК диапазоне на примере структур с одиночными КЯ 1пхОа1.хАз/СаА$. В среднем ИК диапазоне получен и проанализирован спектр фотоотражения объёмного 1п8Ь для X ~ 2-10 мкм.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

Al. Комков О.С., Семёнов А.Н., Фирсов Д.Д., Мельцер Б.Я., Соловьёв В.А., Попова Т.В., Пихтин А.Н., Иванов C.B. Оптические свойства эпитаксиальных слоёв твёрдых растворов AlxIni_xSb //Физика и техника полупроводников. - 2011. - Т. 45. -№. 11. С. 1481-1485.

А2. Komkov О. S., Firsov D.D., Pikhtin A.N., Seménov A.N., Meitzer В .Ya., Solov'ev V.A., Ivanov S.V. Molecular Beam Epitaxy Growth and Optical Characterization of AlxIn].xSb/GaAs Heterostructures //American Institute of Physics Conference Proceedings.-2011.-T. 1416,-C. 184-187.

A3. Комков O.C., Фирсов Д.Д., Семёнов А.Н., Мельцер Б .Я., Трошков С.И., Пихтин А.Н., Иванов C.B. Определение толщины и спектральной зависимости показателя преломления эпитаксиальных слоёв AixInt_xSb из спектров отражения //Физика и техника полупроводников. - 2013.-Т. 47.-№. 2. С. 258-263.

A4. Фирсов Д. Д., Комков О. С. Фотомодуляционная ИК фурье-спектроскопия полупроводниковых структур: особенности фазовой коррекции и применение метода //Письма в ЖТФ. - 2013. - Т. 39. - №. 23. С.87-94.

А5. Комков О.С., Фирсов Д.Д., Ковалишина Е.А., Петров A.C. Спектральные характеристики поглощения в эпитаксиальных структурах на основе InAs при температурах 80 К и 300 К // Прикладная физика. - 2014. - №. 4. С. 93-96.

А6. Комков О.С., Фирсов Д.Д., Ковалишина Е.А., Петров A.C. Определение толщины автоэпитаксиальных слоёв арсенида индия методом инфракрасной фурье-спектроскопии // Известия ВУЗов. Материалы электронной техники. №3. - 2014. Принято к печати.

А7. Mironova M.S., Komkov O.S., Firsov D.D. and Glinskii G.F. Determination of InSb/AlInSb quantum well energy spectrum // IOP Journal of Physics: Conference Series. 2014. Принято к печати.

Публикации в трудах научно-технических конференций:

А8. Соловьёв В .А., Семёнов А.Н., Мельцер Б.Я., Мухин М.С., Терентьев Я.В., Фирсов Д.Д., Комков О.С., Иванов C.B. Оптические исследования наноструктур InSb/InAs, излучающих в среднем ИК диапазоне. // В сборнике трудов III Симпозиума

17

по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур, Москва, 28-30.11.2011.-М.: ФИАН-2012.-стр. 99-103.

А9. Комков О.С., Семёнов А.Н., Фирсов Д.Д., Пихтин А.Н., Иванов С.В. Оптические свойства гетеросистемы InSb/AlInSb/GaAs // Труды 22-й Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. - М.: ОАО «НПО «Орион». - 2012. - стр. 124-126.

А10. Комков О.С., Фирсов Д.Д;, Ковалишина Е.А., Петров А.С. Спектральные характеристики фотоприёмников на основе InAs в температурном интервале 80-300 К // Труды 23-й Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. -М.: ОАО «НПО «Орион» - 2014. - стр. 240-242.

All. Firsov D.D., Komkov O.S. Photomodulation Fourier transform infrared spectroscopy of narrow-gap semiconductor structures // Proceedings of 22nd International Symposium "Nanostructures: physics and technology". Saint-Petersburg. - 2014. P. 148-149.

Подписано в печать 09.10.2014. Формат 60x84/16 Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ЗАО «КопиСервис». Печать ризографическая. Заказ № 2/1014. П. л. 1.00. Уч.-изд. л. 1.00. Тираж 100 экз.

ЗАО «КопиСервис» Адрес: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 3. тел.: (812) 327 5098