Исследование электронных свойств дельта-легированных арсенид-галлиевых структур методами фотоэлектрической спектроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

на правах рукописи

Ярошевич Александр Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СВОЙСТВ ЦЕЛЬТА-ЛЕГИРОВАННЫХ АРСЕНИД-ГАЛЛИЕВЫХ СТРУКТУР МЕТОДАМИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Специальность - 01.04.10 - физика полупроводников п диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 1995

1

Работа выполнена в Институте физики полупроводников СО РАН

Научный руководитель : кандидат физико-математических наук

В.Л.Альперович

Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук

Э.М.Скок

кандидат физико-математических наук О.В.Кпбис

Ведущая организация - Институт Автоматики и Электрометрии

Сибирского отделения РАН г. Новосибирск

Защита состоится 995 г. в часов на заседании спе-

циализированного совета К 003.05.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте физики полупроводников СО РАН (630090. г.Новосибирск, пр. Лаврентьева. 13).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики полупроводников СО РАН

Автореферат разослан 1995 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

доктор фпз.-мат. наук, профессор , А.В.Двуреченскин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы благодаря успехам полупроводниковой технологии многослойные эпптакспальныо ( груктуры стали главным объектом научных исследований, а также базой для создания новых полупроводниковых приборов: электрооптпческпх модуляторов и переключателей, фотоприемников, сверхвысокочастотных полевых транзисторов и других устройств. В связи этим большое значение приобретает развитие неразрушающих оптических и фотоэлектрических методов диагностики и контроля параметров эпптакспальных слоев и структур. В частности, методы спектроскопии фотоотражения и фототока являются эффективным инструментом для тестирования полупроводниковых структур.

Модуляционная методика фотоотражения (ФО), представляющая собой бесконтактную форму электроотражения, позволяет определять пороги оптических переходов п величины встроенных электрических полег! по периоду осцилляции Франца-Келдыша, которые наблюдаются в спектрах ФО при энергиях фотонов больше шприцы запрещенной зоны. Как следствие, методика ФО дает возможность исследовать локализованные электронные состояния на поверхности и границах раздела п восстанавливать энергетическую зонную диаграмму полупроводниковых структур. Одной из проблем применения спектроскопии ФО к многослойным структурам является то, что несколько областей структуры могут одновременно вносить вклад в сигнал ФО. Это затрудняет интерпретацию п количественный анализ измеряемых спектров. Представляется важным усовершенствовать методику фотоотраженпя с целью разделения различных компонент в сложных спектрах ФО.

Метод спектроскопии фототока обладает важными преимуществами перед чисто оптическими методами для целого ряда задач диагностики эпитаксиальных структур. В частности, этим методом можно измерить форму длинноволнового хвоста оптического поглощения при энергиях фотонов меньших ширины запрещенной зоны в широком динамическом диапазоне, недоступном для традиционного метода оптического пропускания. Во многих случаях спектроскопия фототока может использоваться как неразрушающая экспресс-методика определения состава полупровод-

ннковых слоев и рекомбннацпонных параметров носителей заряда. Для полной реализации возможностей фототоковой спектроскопии необходимо дальнейшее совершенствование этого метода с целью повышения точности и рас ширения динамического диапазона измеряемых спектральных зависимостей.

В качестве объекта исследования были выбраны дельта-легированные структуры, в которых легирующие примеси расположены в моноатомных слоях. Дельта-легирование расширяет возможности создания полупроводниковых структур с заданными электрическими н оптическими свойствами. Выращивание дельта-легированных слоев в сочетании с не-легпрованнымп высокоомными слоями позволяет создавать структуры < однородными встроенными электрическими полями. Такие модельные структуры гораздо лучше подходят для исследования влияния электрического поля на оптические свойства полупроводников вблизи края собственного поглощения (эффекта Франца-Келдыша) по сравнению с обычными однородно легированными слоями, в которых электрическое поле неоднородно.

Цель данной диссертационной работы состоит в развитии методов фотоэлектрической спектроскопии и их применении для исследования природы оптических переходов, определения встроенных электрических полей и восстановления энергетических зонных диаграмм в дельта-легированных полупроводниковых структурах.

Положения, выносимые на защиту:

1. Фазовый анализ сигнала фотоотражения позволяет разделять вклады в фотоотражение от встроенных электрических полей на границах раздела слоистых полупроводниковых структур.

2. Эпнгакснальные арсенид-галлиевые структуры с одиночными дельта-слоями являются удобными модельными объектами для развития методики фотоотражения. Однородность встроенных электрических полей дает возможность наблюдать осцилляции Франца-Келдыша с большим количеством экстремумов, определять величину полей с высокой точностью н восстанавливать энергетические зонные диаграммы эпптак-сиальных структур.

•3. Резкие особенности в спектрах фотоотражения дельта-легированных структур, наблюдающиеся вблизи края собственного поглощения, обу-

словлены встроенными электрическими полями в буферной области и на границе раздела с подложкой, а не квантово-размернымп оптическими переходами.

4. На границе раздела буферного слоя с подложкой может происходить закрепление уровня Ферми в запрещенной зоне на состояниях дефектов, возникающих на начальных стадиях молекулярно-лучевой эпитаксин.

5. Форма хвоста поглощения, измеренная методом спектроскопии фототока в дельта-легированных сверхрешетках с различными величинами встроенных электрических полей, описывается теорией эффекта Франца-Келдыша в широком диапазоне изменений коэффициента поглощения (до трех порядков) п дефицита энергий фотонов по отношению к ширине запрещенной зоны (до 0.4 эВ).

Научная новизна работы. Основные экспериментальные данные получены впервые. Впервые предложена методика фазового подавления вкладов в фотоотраженпе от встроенных электрических полей на границах раздела слоистых полупроводниковых структур, основанная на использовании отличий в кинетике фотоиндуцпрованных изменений этих электрических полей. Применение данной методики к дельта-легированным эпитаксиальным структурам впервые позволило выделить вклад в спектры фотоотражения от границы раздела буферный слой подложка, определить величины встроенных полей и построить энергетические зонные диаграммы структур с одиночными дельта-слоями и дельта-легированных шрг-сверхрешеток.

Впервые методом спектроскопии фототока в дельта-легированных п/р/ СаАн сверхрешетках измерена форма хвостов поглощения в однородных электрических полях различной величины и сопоставлена с теорией эффекта Франца-Келдыша в широком динамическом (до трех порядков) и спектральном (до 0.4 эВ) диапазонах. В спектрах фототока дельта-легированных тр{ СаАя сверхрешеток обнаружена тонкая структура: показано, что большая часть спектральных особенностей имеет примесную природу.

Научная и практическая ценность работы заключается в следующем.

1. Предложенный и развитый в данной работе фазовый анализ сигнала фотоотражения позволяет разделять вклады от поверхности и внутренних границ раздела тонкослойных полупроводниковых структур.

2. На примере дельта-легированных структур показана возможность определения встроенных электрических полей у поверхности п на внутренних границах раздела и, как следствие, построения зонных диаграмм тонкослойных эпитаксиальных структур. Показано, что методика фотоотражения позволяет оценивать концентрацию заряженных интерфейсных состояний, обусловленных дефектами на границе раздела буферного слоя с подложкой.

3. Полученные экспериментальные спектральные зависимости экспоненциальных хвостов фототока в ¿-легированных тр1 СаАв сверхрешетках во встроенных однородных внешнем и внутреннем электрических полях впервые позволили экспериментально подтвердить теорию эффекта Франца-Келдыша в широком диапазоне изменений поля, коэффициента поглощения п энергий фотонов.

4. Экспериментально показана возможность модуляции коэффициента поглощения света в дельта-легированных пщ ваАв сверхрешетках внешним напряжением, приложенным между селективными контактами к дельта-слоям п- и р-тппа.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на V и VI Международной конференциях по сверхрешеткам и микроструктурам (Берлин, 1990, Кспан, 1992); XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев, 1990); Международном симпозиуме по аналогиям в оптике и микроэлектронике (Эйдховен, 1991); VI международной конференции по модулированным полупроводниковым структурам (Гармиш-Партенкирхен, 1993); I Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993); на семинарах ИФП СО АН.

Публикации. По результатам диссертации в печати опубликовано 9 работ.

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

Объем диссертации составляет 116 машинописных страниц и включает 25 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 114 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследований, выбор объекта и методики эксперимента; формулируется цель работы н положения, выносимые на защиту; дана краткая аннотация диссертационной работы.

Первая глава является обзорной. В §1.1 излагается суть эффекта Франца-Келдыша — физического явления, лежащего в основе электромодуляционных оптических и фотоэлектрических методик. Дается обзор экспериментальных и теоретических работ по фотоотраженпю. В §1.2 рассматривается концепция дельта-легирования в полупроводниках. Дается анализ экспериментальных исследований арсенид-галлпевых структур с одиночными «-¿-слоями, проведенных различными методами. В §1.3 излагается концепция модулированного легирования и создания новых полупроводниковых структур с управляемыми свойствами легированных пгрг-сверхрешеток. Дается классификация ш'рг-сверхрешеток на основе анализа зависимости энергетической зонной диаграммы от параметров сверхрешетки. Проводится сравнительный анализ электронных и оптических свойств обычных и дельта-легированных сверхрешеток. Дается обзор экспериментальных методов исследования электронных п оптических свойств пцп СаАя сверхрешеток. Особое внимание уделено бесконтактным оптическим и фотоэлектрическим методикам. В §1.4 сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена методике эксперимента. В §2.1 описываются образцы, на которых проводились исследования. В работе исследованы образцы двух типов: арсенпд галлиевые структуры с одиночными ¿-слоями п- и р-типа и ¿-легированные трг GaAs сверхрешетки. Все образцы выращены, методом молекулярно лучевой эпнтакснн на полуп-золирующнх С а Ах подложках с ориентацией (100). В качество донорной примеси использовался кремний, а акцепторной — бернлнй. Концентрация легирующих примесей варьировалась в пределах от 5*1012 до 1.5*10| ! см-2. Периоды сверхрешеток лежали в интервале =16—300 нм. Одиночные ¿-слои и сверхрешетки были отделены от поверхности и от подложки нелегированными буферными слоями ваАв. Для измерения вентильного фототока в 6-тр1 СаАк сверхрешетках, а также фотопроводимости в СаАв структурах с одиночными дельта слоями изготавливались се-

1

лектпвные контакты к п- и р-<5-слоям. Для прецизионного послойного утонения структуры использовалась процедура анодного окисления с последующим химическим удалением окисла.

Для регистрации спектров фототока (§2.2) и фотоотраження (§2.3) попользовалась управляемая от ЭВМ двухлучевая установка на базе дифракционного монохроматора МДР-23. Установка позволяет измерять оптические и фотоэлектрические спектры в диапазоне длин волн 0.35Ч-1.7 мкм н динамическом диапазоне величин сигналов до пяти порядков. Проведенная калибровка оптической схемы и системы регистрации обеспечивает точность измерения формы спектра не хуже о{А во всем спектральном диапазоне. Измерения спектров фотоотраження проводились при комнатной температуре, а спектров фототока также при температуре- жидкого гелия.

В §2.4 описан разработанный в данной работе фазовый анализ сигнала фотоотраження. который состоит в следующем. В методике фотоотраження периодические изменения коэффициента отражения АгЩ пробного пучка света, происходящие под действием модулированного света накачки. регистрируются синхронным детектором (СД). Сигнал Ас(/) запаздывает по фазе относительно накачки на некоторую величину 0 \ . зависящую от соотношения характерного времени г отклика встроенного поля на включение накачки и частоты модуляции П. При синусоидальном входном сигнале Лг(?). постоянный сигнал на выходе СД имеет вид:

АЯ = Лсо.ч{в - вЛ) (1)

где в фаза синхронного детектора (т.е. разность фаз между входным II опорным сигналами, вносимая фазовращателем). Для достижения максимума сигнала обычно выбирают 0=0^. Напротив, выбирая в=в \+к/'2. можно занулить сигнал на выходе СД.

Если спектр фотоотражения слоистой структуры содержит вклады от двух областей с различными временами релаксации, то, подбирая фазу С'Д. можно подавить один из вкладов и выделить в чистом виде другой, и наоборот. В случае, когда спектр фотоотражения состоит из более чем двух вкладов, выбором фазы можно подавить один из них. выделив сумму остальных.

PHOTON ENERGY , eV

WAVELENGTH , nm

Pur.l. Спектры фотоотражения »-¿-легированного CaAs (образец I). нсмеренные при фиксированной толщине верхнего слоя с/. = 10 им. но при различных фазах синхронного детектора 0: сплошная кривая I 0= -135° , 2 - -16° (подавлен вклад С верхнего слоя). .'! -I(i° (подавлен вклад В буферного слоя). Штриховой линией покачан снемр. рассчитанный из измеренных спектров и :! по формчме (2).

На рпс.1 показано применение процедуры фазового разделения вкладов к спектрам фотоотраженпя п-Л-легированного GaAs. Все три спектра измерены в образце 1 в одних и тех же условиях, но при различных значениях фазы синхронного детектора в : сплошная кривая 1 0=-133°. 2 -46° (подавлен вклад С верхнего слоя). 3 -16° (подавлен вклад В от границы раздела буферного слоя с подложкой).

Эмпирический подбор фазы в. при которой вклады в сигнал фотоотражения разделены, представляет собой трудоемкую процедуру, особенно если вклады перекрываются по спектру. Процедуру фазового разделения удалось значительно упростить и алгоритмизировать, измеряя с пектры

<)

ФО АЛ¡(/ги;) и при двух различных фазах синхронного детекто-

ра б] и #2 . соответственно. Далее спектр ФО ДД(7ш), соответствующий любой наперед заданной фазе СД # , можно рассчитать по измеренным спектрам Л7?1(Гш') и АЙ^Ки'):

ягп(02 — згп(в-2 — о 1)

На рнс.1 штриховой линией показан результат компьютерного расчета спектра, соответствующего измеренной кривой 1, с использованием экспериментальных спектров, представленных на том же рисунке кривыми 2 и 3. Совпадение рассчитанного спектра с измеренным свидетельствует о точности предложенной процедуры расчета спектров.

Третья глава посвящена экспериментальному изучению встроенных электрических полей в арсенпд-галлиевых структурах с одиночными п-¿-слоями с использованием фазового анализа сигнала фотоотраженпя и прецизионного послойного утонения структуры.

Из рпс.1 (кривая 1) видно, что спектр ФО п-дельта-легированного арсенала галлия имеет сложную форму и состоит из двух вкладов: осцилляции с большим периодом при Тги)>Ед (вклад С) и резкие особенности (осцилляции с малым периодом) при энергиях фотона вблизи Ед (вклад В). Известно, что вклад С представляет собой осцилляции Франца-Келдыша (ОФК) в электрическом поле верхнего слоя, в то время как природа вклада В оставалоась невыясненной. Для уточнения природы вкладов В и С была прослежена их эволюция при последовательном утонении структуры (о3.1). Экспериментально показано, что период осцилляции вклада С увеличивается с уменьшением толщины верхнего слоя. После удаления ¿-слоя вклад С полностью исчезает, в то время как вклад В остается. По положению экстремумов ОФК вклада С, была определена величина поверхностного поля и построена зависимость величины 1 /-/> от толщины верхнего слоя. Линейный характер этой зависимости свидетельствует об однородности электрического поля в тонком нелегпрованном верхнем слое ц подтверждает предположение о закреплении уровня Ферми на поверхности. Величина поверхностного потенциала, определенная

пз наклона линейной зависимости, оказалась равной У5=0.62 В, что находится в разумном согласии с известными данными.

В 3.2 экспериментально показано, что с утонением верхнего слоя форма вклада В не претерпевает существенных изменений. Удаление ¿-слоя вместе с небольшой частью буфера также не привело к качественным изменениям формы спектра. Полученные данные свидетельствуют о том, что резкие особенности вблизи ширины запрещенной зоны (вклад В) обусловлены эффектом Франца-Келдыша во встроенном электрическом поле в буферной области, а не переходами с участием квантово-размерных уровней дельта-слоя, как считалось ранее.

Следует отметить, что в различных образцах, в том числе вырезанных из разных частей одной шайбы, вклад В имеет разную форму. В частности, могут наблюдаться (рис.1, кривая 2) дополнительные особенности при энергиях фотонов вблизи Ед, искажающие простую картину оецпл-ляций Франца-Келдыша и свидетельствующие о том, что вклад В также является суммой компонент различной природы. Экспериментально показано, что утонение верхнего слоя в таких образцах также не приводит к изменению формы вклада В. Корреляция формы спектров вклада В до и после удаления ¿-слоя однозначно свидетельствуют о том, что этот вклад, включая дополнительные спектральные особенности вблизи Ед . обусловлен встроенными полями в буферной области и (или) на границе раздела буферный слой — подложка.

В §3.3 на основании экспериментально определенных величин встроенных электрический полей, а также данных о толщинах и уровнях легирования слоев, построена энергетическая зонная диаграмма арсенид-галлиевой структуры с одиночным гг-<5-слоем (рис.2). Показано, что на границе раздела с подложкой может происходить закрепление уровня Ферми состояниями дефектов, возникающих на начальных стадиях молекулярно-лучевой эпитаксии.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию оптических переходов и встроенных электрических полей в 6-пгрг СаАя сверхрешетках методами фотоотражения (§4.1) и фототока (§4.2 и §4.3).

На рис.3 представлены спектры фотоотражения сверхрешеток с различными периодами, измеренные при комнатной температуре. В спектрах наблюдаются ярко выраженные осцилляции Франца-Келдыша.

И

cap buffer

layer layer substrate

Рис.2. Энергетическая зонная диаграмма СаЛэ структуры с одиночным п-дельта слоем, помещенным на расстоянии (1 от поверхности. Параметры зонной диаграммы следующие: =0.55 эВ, (¿>¡,„/=0.8 эВ и УзиЬ =0.2 эВ; фоновая концентрация мелких примесей в буферном слое и заряженных глубоких примесей в подложке « 1.5 * 1015 и Л'зцЬ и 3 * 1015 см~3, соответственно.

период которых уменьшается с увеличением периода сверхрешетки в соответствии с уменьшением встроенного электрического поля. Наблюдение большого количества экстремумов свидетельствует о высокой однородности встроенного электрического поля. По положению экстремумов ОФК были определены величины встроенных полей 105~-106 В/см в свёрхрешетках с различным периодом.

В методике фототражения электрон-дырочные пары, создаваемые модулированным светом лазера накачки, разделяясь во встроенном электрическом поле в образце, экранируют его. Этот процесс приводит к возникновению фотоэдс, которая уменьшает измеряемое в ФО электрическое поле по сравнению с его темновым значением. Для учета влияния фотоэдс была прослежена эволюция формы спектров ФО от интенсивности света лазера накачки. Показано, что при увеличении интенсивности света действительно наблюдается уменьшение значения определяемого электрического поля, однако оно составляет не более 15% его величины.

Л г»г*»

Рис.3. Спектры фототражения трг СаАя СР с различным периодом

им: 1-16, 2-60, 3-130, 4-300. Т=300 К. Стрелкой отмечена ширина запрещенной зоны Ед СаАв.

Проведенные оценки показали, что величина электрического поля . определенная из спектра ФО хорошо согласуются с номинальным значением электрического поля для полуметаллической сверхрешетки.

Наряду с осцилляциями Франца-Келдыша, обусловленными встроенным электрическим полем сверхрешеткп, наблюдаются резкие особенности (осцилляции с малым периодом) вблизи ширины запрещенной зоны. С помощью фазового анализа сигнала фотоотражения эта компонента выделена в чистом виде. Показано, что положение резких особенностей не зависит от периода СР и, следовательно, эта компонента не может

быть связана с квантово-размерными переходами в потенциале сверхрешетки, как утверждалось.ранее. Нами выдвинуто предположение, о том, что особенности в спектрах ФО вблизи Ед СаАв есть ОФК в более слабом электрическом поле в буферной области между СР и подложкой, и определена Величина этого поля Е^т « 104 В/см. Оценка электрического поля в буферной области, сделанная на основе ростовых данных хорошо согласуется с величиной Е£г.

В §4.2 и §4.3 представлены результаты изучения Ь-тпр1 СаАк сверхрешеток с различными периодами методом спектроскопии фототока. Во всех спектрах при энергиях фотонов Тип меньше ширины запрещенной зоны Ед ваАэ наблюдается хвост фототока, обусловленный эффектом Франца-Келдыша во внутреннем поле сверхрешетки (см. рис.4). Протяженность хвоста монотонно увеличивается при уменьшении периода сверхрешетки благодаря увеличению встроенного поля и, как следствие, увеличению перекрытия туннельнных хвостов волновых функций электронов и дырок при оптических переходах с энергией фотонов Ьи><Ед.

Установлено, что в диапазоне изменений фототока около трех порядков экспериментально измеренные спектры (сплошные линии) хорошо описываются одноэлектронной теорией (точки) эффекта Франца-Келдыша. При описании формы спектра использовался только один подгоночный параметр. В качестве подгоночного параметра в случае компенсированной сверхрешетки Использовалась концентрация легирующей примеси в дельта слое, а в случае полуметаллических сверхрешеток — ширина той части периода, где происходят оптические переходы. Показано, также, что теория хорошо описывает экспериментальные спектры фототока в 6-пгрг С л Аз сверхрешетке при различной величине внешнего электрического смещения между селективными контактами.

В спектрах фототока дельта-шрг сверхрешеток на фоне монотонного длинноволнового крыла наблюдаются два пика (пики Л и В на рис.4), положение которых не' зависит от периода сверхрешетки. Энергетическое положение пика А Ел^Е^-ГиидыМ мэВ соответствует переходам электронов с акцепторов в зону проводимости. Это предположение подтверждается наличием особенностей в спектрах фотопроводимости в одиночных п- и р-дельта слоях, совпадающих по положению с пиком А. Спектр р-6-слоя содержит пик, а в спектре ¿-слоя п-типа имеется лишь

* \

Рис.4. Спектры фототока 6—трг СаЛэ сверхрешеток с различным периодом Zp , нм: 1-16, 2-60, 3-180, 4-300. Сплошные линии - эксперимент, точки - теория Франца-Келдыша. Т=4.2 К.

слабая ступенька, обусловленная самокомпенсацией вследствие амфотер-ности кремния. Пик В, вероятно, тоже имеет примесную природу.

В спектре фототока сверхрешетки с минимальным периодом (2Гр =16нм, кривая 1, рис.4) наряду с пиками проявляются более слабые, но воспроизводимые ступеньки, которые не удалось обнаружить в спектрах сверхрешеток с другими периодами. Эти особенности можно предположительно объяснить непрямыми в реальном пространстве оптическими переходами между уровнями размерного квантования электронов п дырок.

На основании ростовых данных (периода сверхрешеток, концентрации легирующих примесей в соответствующих ¿-слоях), а также из анализа величин встроенных электрических полей, полученных методами фототока и фотоотражения, построены энергетические зонные диаграммы исследованных 8-тр1 СаАй сверхрешеток (рис.5). Показано, что три из четырех сверхрешеток являются "полуметаллическими" и содержат свободные электроны и дырки в соответствующих дельта-слоях. Сверхрешетка с наименьшим периодом является диэлектрической, в ней заряды

а

2,

Л

£

г

Др/2

Рис.5. Зонная диаграмма компенсированной (а) и полуметаллической (Ь)

£ — тггрг СаАя СР. Ес - дно зоны проводимости, Еь - потолок валентной зоны, Ер- - уровень Ферми. На (а) схематично показаны квантово-размерные подзоны п,т=0,1,2 и волновые функции электронов и дырок подзон п=0 и т=0, сответственно. Вертикальные стрелки - оптические переходы с йш < Ед между туннельными хвостами волновых функций (хвосты закрашены).

ионизированных доноров и акцепторов в соседних ¿-слоях приблизительно компенсируют друг друга.

В заключении приводятся основные результаты и выводы диссертации, состоящие в следующем:

1. Создана автоматизированная установка и развиты методы спектроскопии фототока и фотоотражения. Предложен и развит фазовый анализ сигнала фотоотражения, позволяющий разделять вклады в фотоотражение от поверхности и внутренних границ раздела тонкослойных полупроводниковых структур.

• <!

2. С помощью фазового анализа в спектрах фотоотраженпя арсенид-галлиевых структур с одиночным дельта-легированным слоем п-типа выделены осцилляции Франца-Келдыша, обусловленные поверхностным электрическим полем в верхнем нелегированном слое. Установлено, что поверхностное электрическое поле обратно пропорционально толщине верхнего слоя, что свидетельствует о закреплении уровня Ферми на поверхности СаАя. Величина поверхностного изгиба зон оказалась равной 0.6 эВ.

3. Показано, что резкие особенности вблизи края фундаментального поглощения, наблюдающиеся в спектрах фотоотражения п-Ь-легированного арсенида галлия, обусловлены встроенными электрическими полями в буферной области и на границе с полупзолирующей подложкой, а не размерным квантованием энергий электронов в потенциале »-¿-слоя.

■1. Измерение встроенных электрических полей как вблизи поверхности. так и в буферной области на границе с подложкой позволило построить энергетическую зонную диаграмму арсенид-галлиевой структуры с одиночным п-6-слоем. Установлено, что на границе раздела с подложкой может происходить закрепление уровня Ферми состояниями дефектов, возникающих на начальных стадиях молекулярно-лучевой эпитаксии.

5. Экспериментально измерены спектры фотоотражения в арсенид-галлпевых дельта-легированных ш'/и-сверхрешетках с периодом от 1С нм до 300 нм. В спектрах фотоотраженпя дельта-трг сверхрешеток обнаружены осцилляции Франца-Келдыша с большим количеством (вплоть до 20) экстремумов. Установлено, что период осцилляций уменьшается с увеличением периода сверхрешеткп. Полученные экспериментальные данные свидетельствют о том, что наблюдаемые осцилляции Франиа-Келдыша обусловлены однородным встроенным электрическим полем Ь-гпр! сверхрешеток.

6. Показано, что. аналогично спектрам фототражения структур с одиночными дельта-слоями, резкие особенности в спектрах арсенид-галлиевых дельта-легированных шр'-сверхрешеток вблизи края фундаментального поглощения обусловлены не квантово-размернымн оптическими переходами, а оецплляцпямн Франца-Келдыша во встроенном электрическом поле буферного слоя между сверхрешеткой и подложкой.

7. Методом спектроскопии фототока в сверхрешетках с различной величиной встроенного электрического поля измерена форма длинноволнового края поглощения арсенида галлия в широком диапазоне изменении коэффициента поглощения (до четырех порядков). Показано, что форма края поглощения хорошо описывается одноэлектронной теорией эффекта Франца-Келдыша без учета кулоновского взаимодействия электронов и дырок.

8. В спектрах фототока дельта-nipi сверхрешеток на фоне монотонного длинноволнового франц-келдышевского крыла обнаружена тонкая структура в виде пиков и слабых ступенек. Показано, что пики имеют примесную природу. Слабые ступеньки в спектрах фототока в сверхрешетке с минимальным периодом могут быть обусловлены квантово-размерными оптическими переходами в потенциале сверхрешетки.

9. Сопоставление величин встроенных электрических полей, полученных методами спектроскопии фототока и фотоотражения, в структурах с дельта-легированными ш'рг-сверхрешетками, позволило восстановить энергетические зонные диаграммы б-nipi сверхрешеток полуметаллического и диэлектрического типа.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. V.L.Alperovich, A.S.Jaroshevich, D.I.Lubyshev, V.P.Migal, B.R.Semya-gin. GaAs MBE-growth of delta-ш'рг superlattices: observation of quantum-confined optical transitions in photocurrent spectra. — Crystal Properties and Preparation 19 & 20, 129 (1989)

2. В.Л.Альперович, Д.И.Лубышев, В.П.Мигаль, Б.Р.Семягин, А.С.Яро-шевич. Спектры фототока дельта-легированных GaAs nipi сверхрешеток. — ФТП, 1990, т. 24, в. 3, стр. 451-455.

3. V.L.Alperovich, A.S.Jaroshevich, D.I.Lubyshev, V.P.Migal, V.V.Pre-obrazhenskii, B.R.Semyagin. Photocurrent spectra of GaAs sawtooth doping superlattices. — Abstracts of fifth International Conference on Superlattices and Microstructures, Berlin, 1990, p. Mo-Po-2.

4

4. В.Л.Альперович, Д.И.Лубышев, В.П.Мигаль, Б.Р.Семягин, В.В.Преображенский, А.С.Ярошевич. Оптические переходы в дельта-легированных GaAs nipi сверхрешетках. — Сб. тезисов докладов XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников. Киев, 1990, т. 1. с. 98.

5. V.L.Alperovich, A.S.Jaroshevich, D.I.Lubyshev, V.P.Migal, V.V.Preob-razhenskii, B.R.Semyagin. Photocurrent and photoreflectance spectra of GaAs sawtooth doping superlattices. — Superlattices and Microstructures, 1991, v. 10, No. 2, 131-134.

6. V.L.Alperovich, A.S.Jaroshevich, D.I.Lubyshev, V.P.Migal. Tunneling-assisted optical transitions in GaAs delta-doped superlattices. — Physica B, 1991, v. 175, 153-157.

7. V.L.Alperovich, A.S.Jaroshevich, H.E.Scheibler, A.S.Terekhov. Probing of built-in electric fields in delta-doped GaAs by phase-sensitive separation photoreflectance. — Abstracts of the 6th International Conference on Superlattices, Microstructures and Microdevices, Xi'an. China, 1992, p.61.

8. V.L.Alperovich, A.S.Yaroshevich, H.E.Scheibler, A.S.Terekhov. Elucidation of photoreflectance mechanisms by phase resolution spectroscopy, application to delta-doped GaAs. — Phys. Stat. Sol. (b). 1993. v. 175. K35-K38.

9. В.Л.Альперович, А.С.Терехов, Г.Э.Шайблер, А.С.Ярошевич. Определение встроенных электрических полей в слоистых и дельта-легированных полупроводниковых структурах методом фазочув-ствптельного фотоотражения. — Тезисы I Российской конференции по физике полупроводников, Нижний Новгород, 1993, с.312.

Подписано в печать 20.11.95 Формат 60хЫ/15

Печ.листов 1,1 Заказ 275 Тираж 80

Отпечатано на ротапринте Института катализа СЮ РАН, Новосибирск И).