Исследование фосфида индия, арсенида галлия и их твердых растворов методами фото- и электроотражения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Ахмед Абдел Моез Абдел Рахман Езз

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОСФИДА ИНДИЯ, АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ И ИХ ТВЁРДЫХ РАСТВОРОВ МЕТОДАМИ ФОТО- И ЭЛЕКТРООТРАЖЕНИЯ

Специальность 01 04 10 - Физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

□031764В0

Санкт-Петербург - 2007

003176460

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" им В И Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

доктор физико-математических наук, профессор Пихтин А Н

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор Сейсян Р П кандидат физико-математических наук, доцент Удальцов В Е

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики

Защита диссертации состоится "/3 " ^ЛаЬ^/З 2007 г в {_[_ часов на заседании диссертационного совета Д212 238 04 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им В И Ульянова (Ленина) по адресу 197376, Санет-Петербург, ул Проф Попова 5

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета

Автореферат разослан'

2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Мошников В А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Полупроводниковые эпитаксиальные слои и структуры на основе арсенида галлия и фосфида индия являются не только интересными объектами для фундаментальных исследований, но и широко используются в оптоэлектронике и нанозлектронике Именно на основе этих материалов изготавливаются современные полупроводниковые приборы, поэтому неразрушающая диагностика таких слоев является важной задачей физики полупроводников Применяемые для этой цели методы электронной микроскопии, Оже-спектроскопии и электронно-зондового микроанализа весьма трудоемки и требуют дорогостоящего оборудования Развиваемые в настоящей работе методы фотоотражения (ФО) и электроотражения (ЭО) являются разновидностью модуляционной оптической спектроскопии и обладают высокой чувствительностью и информативностью Они сравнительно просты в практической реализации, не требуют помещения образца в высокий вакуум и являются неразрушающими

Исследуемые в настоящей работе эпитаксиальные слои арсенида галлия, фосфида индия и их твердые растворы являются базовыми материалами для современной опто- и наноэлектроники Поэтому полученные результаты могут представлять общий интерес для физики и техники полупроводников

Целью диссертационной работы является исследование влияния легирования на форму спектров фото- и электроотражения объемных кристаллов и эпитаксиальных слоев 1пР, СаАБ, ОаАБ^Рх и разработка неразрушающих методов определения концентрации свободных носителей заряда, напряженности встроенного электрического поля и высоты потенциального барьера в структурах металл-полупроводник

Задачи исследования

1 Измерение модуляционных оптических спектров фотоотражения 1пР и БаАБ и влияния концентрации свободных носителей заряда на их форму

2 Расшифровка дифференциальных спектров ФО и ЭО и выделение вклада экситонных переходов в их формирование

3 Определение встроенных электрических полей и концентрации свободных носителей заряда в эпитаксиальных слоях 1пР и ОаАэ по спектрам ФОи ЭО

Л'

4 Измерение спектров ФО и ЭО эпитаксиальных слоев твердых растворов ОаАЗ|.чРх и разработка метода определения концентрации свободных носителей заряда в них

5. Разработка метода определения высоты потенциального барьера металл-полупроводник на примере системы А§-ОаА$1 ХРХ и определение влияния состава твёрдого раствора на эту величину.

В качестве объектов исследования были выбраны

- эпитаксиальные слои п-ОаАэ с концентрацией свободных носителей заряда от 1013 до 1017см'3, выращенные методом газофазной или жидкофазной эпитаксии как на полуизолирующих, так и на низкоомных п+-подложках,

- эпитаксиальные слои п- и р-1пР с концентрацией свободных носителей заряда п от 1015 до 1018 см3 и р~1016см"3, выращенные методом газофазной эпитаксии,

- эпитаксиальные слои твердых растворов ваА^ ХРХ в диапазоне составов 0<х<1, выращенные методом газофазной эпитаксии

Методы исследований: Экспериментальные методы фото- и электроотражения Математические методы численного решения дифференциальных уравнений для определения концентрации свободных носителей заряда и высоты потенциального барьера в структурах металл-полупроводник

Научная новизна представленных в работе результатов заключается в следующем:

1 Показано, что форма модуляционных спектров фото- и

электроотражения монокристаллических эпитаксиальных слоев 1пР и ваЛв определяется в основном концентрацией свободных носителей заряда

2. Спектральное положение и форма осцилляций в спектрах ФО и ЭО ОаА51.хРх определяются как составом х твердого раствора, так и концентрацией свободных носителей заряда

3 Методом электроотражения определена зависимость высоты

потенциального барьера Шоттки А§-ОаАз1.хРх от состава твердого раствора и показано, что она может быть аппроксимирована квадратичной функцией х

Практическая значимость работы:

1. На основе измерений спектров фотоотражения разработан неразрушающий метод определения концентрации свободных носителей

заряда в объемных кристаллах и эпитаксиальных слоях 1пР, ваА& и GaAsi.jP,. в диапазоне изменения п от 5 1013 до 5 1017 см"3

2 Получены данные о высоте потенциального барьера Шоттки Ag-СаАз^Рц, необходимые для создания селективных фотоприемников

Научные положения, выносимые на защиту:

1 Форма линий фото- и электроотражения однородных эпитаксиальных слоев 1пР и СаАэ определяется концентрацией свободных носителей заряда и изменяется с ее ростом от единичной осцилляции в случае малых концентрации («1012 см"3 для ОаАБ) к уширяющимся затухающим осцилляциям Франца-Келдыша

2 Фотоотражение, измеренное при комнатной температуре, позволяет определять концентрации свободных носителей заряда в 1пР в диапазоне от 6 1015 до 1 4 1018 см"3 и в ОаАз в диапазоне от 5 1013 до 5-1017см"3

3 Высота потенциального барьера А£-СаАя,.хРх, определенная методом электроотражения, монотонно растет с увеличением доли фосфора в твердом растворе и может быть аппроксимирована квадратичной функцией состава х

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следущих конференциях

- 6-й Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, Россия, 2004),

- 8-й научной молодежной школе по твердотельной электронике "Актуальные аспекты нанотехнологии"( Санкт-Петербург, Россия, 2005),

- 10-й научной молодежной школе по твердотельной электронике "Физика и технология микро- и наносистем" (Санкт-Петербург, Россия, 2007),

- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2005-2006)

Публикации:

По теме диссертации опубликованы 4 научные работы, из них -1 статья, опубликованная в ведущих рецензируемых научных журналах рекомендованных ВАК, 3 работы - в трудах научно-технических конференций

Объём и структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 68 наименований Основная часть диссертации изложена на 100 страницах машинописного текста Работа содержит 30 рисунков и 12 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации приведено обоснование актуальности темы, сформулированы цель и задачи работы, ее научная новизна, практическая ценность полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на базе обзора литературы рассматриваются физические основы фото- и электроотражения, как эффективных методов исследования полупроводниковых материалов и структур Рассмотрен эффект Франца-Келдыша, который является основной причиной появления сигналов ФО и ЭО в объёмных полупроводниках Проведен обзор опубликованных работ, в которых ФО применялось для характеризации эпитаксиальных слоев 1пР и ОаАв

Сущность метода ФО заключается в регистрации изменения отраженного зондового света вследствие периодического возмущения поверхности образца лазерным лучом, энергия фотонов которого находится в области собственного поглощения исследуемого объекта При этом возникают электрон-дырочные пары Оказавшись в электрическом поле приповерхностной области, электроны и дырки разделяются, что приводит к уменьшению барьерного электрического поля Возникающие при этом изменения оптических характеристик модулируют отраженный зондовый свет, который детектируется с помощью фазочувствительной техники в виде дифференциального спектра В методе электроотражения, модуляция оптических характеристик производится непосредственно за счет приложения внешнего переменного электрического поля, например, к нанесенным на образец металлическим контактам Наличие этих контактов позволяет прикладывать к структуре различные по знаку и величине напряжения постоянного смещения, что значительно расширяет аналитические возможности метода ЭО

В последней части главы описываются свойства твердых растворов СаАз1.хРх В зависимости от состава эти твердые растворы являются или прямозонными (х=0 .0,46), или непрямозонными (х=0,46 1) В случае

непрямозонных составов минимальный энергетический зазор наблюдается в точке X

Во второй главе описана использованная в работе экспериментальная установка и примененные автором методики измерения спектров фото- и электроотражения Отмечена необходимость повышения чувствительности измерений, так как изменения коэффициента отражения ДК/И при фотомодуляции составляют всего 10'5 - 10 С этой целью для регистрации модуляционных спектров был разработан малошумящий усилитель Обработка электрического сигнала проводилась по стандартному принципу синхронного детектирования

Во второй части главы приводятся характеристики исследованных образцов эпитаксиальных слоев 1пР и ОаАэ Указаны методы их получения и основные параметры Для некоторых образцов имеются результаты измерений методом Холла, которые использовались для сравнения с получаемыми в ходе работы данными Также приводятся характеристики твердых растворов ОаАЗ|.хРк, выращенных методом газофазной эпитаксии на подложке СаАэ или ОаР (в зависимости от состава)

При подготовке образцов к измерению ЭО на полупроводниковую пластину наносились металлические контакты Со стороны исследуемого эпитаксиального слоя напылялся полупрозрачный слой серебра, выполняющий роль барьера Шоттки Его нанесение проводилось методом вакуумного термического осаждения на установке ВУП-4 Со стороны подложки при помощи технологии лазерного вжигания формировался омический контакт

В третьей главе приводятся результаты исследования объемных кристаллов и эпитаксиальных слоев 1пР и ОаАэ методом ФО

В первой части главы дана методика определения напряженности внутреннего электрического поля и концентрации свободных носителей заряда по спектрам фотоотражения эпитаксиальных слоев 1пР Спектры ФО таких образцов представляли собой последовательные затухающие осцилляции при энергии больше ширины запрещенной зоны Е$ (1,34 эВ для 1пР при комнатной температуре) Эти осцилляции описывались в асимптотическом приближении уширенного эффекта Франца-Келдыша выражением

а в точках экстремумов наблюдаемых осцилляций выполнялось равенство

Нв

где у- порядковый номер экстремума В приведенных формулах Г- параметр уширения, Ьсо-Е- энергия фотона зондового пучка света, <р— фазовый фактор, а ЬО- электрооптическая энергия, которая характеризует эффективный (кажущийся) сдвиг края поглощения полупроводника приповерхностным электрическим полем Величина электрооптической энергии определяется выражением

-да

где и=(1/те+1/тн)'- приведенная эффективная масса электрона и дырки в

направлении поля

Для определения строился график

зависимости (Е]-Е^2 от номера экстремума у На рисунке 1 точками показаны экспериментальные значения положения

экстремумов, а сплошными линиями - прямые проведенные по методу наименьших квадратов Как видно на этом рисунке, рассматриваемая зависимость дает прямую линию с некоторым наклоном Тангенс угла этого наклона

пропорционален искомой напряженности электрического поля Е1 Стоит отметить, что экспериментальные точки достаточно хорошо

укладываются на соответствующие прямые линии, что свидетельствует об однородности электрического поля в области формирования сигнала ФО

Рис 1. Зависимости энергетического положения экстремумов осцилляций Франца-Келдыша (ОФК) в спектрах ФО от номера экстремума ./ для исследованных эпитаксиальных слоев 1пР

Концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника определялась при помощи решения уравнения Пуассона, куда подставлялись взятые из литературы значение диэлектрической проницаемости исследуемого полупроводника а и величина пиннинга уровня Ферми на поверхности 1пР В таблице 1 приводятся результаты для некоторых из исследованных образцов эпитаксиальных слоев 1пР

Таблица 1

№ образца Концентрация (метод Холла), см3 Электрооптическая энергия, мэВ Напряженность электрического поля, Е5 (метод ФО), кВ/см Концентрация (метод ФО), см'3

п-1пР 1 - 51 360 1 4 1018

п-1пР2 J - 8 24 6 0 Ю15

п-1пР 3 - 12 39 1 7-101Ь

р-1пР 4 10"' 13 42 2 0 1016

Как видно из таблицы, для образца с р-легированием полученная нами концентрация близка к концентрации по данным независимых холловских измерений

Вторая часть третьей главы посвящена методике

бесконтактной характеризации эпитаксиальных слоев ваАв различной степени чистоты

В основу методики положено измерение спектров ФО при комнатной или «азотной» температурах В случае относительно большой концентрации (1014 - 1017 см"3) величину можно было

определить по описанному выше методу Типичные спектры ФО для таких эпитаксиальных слоев ОаАэ приведены на рисунке 2

Рис 2 Спектры фотоотражения образцов ОаАв различного качества, измеренные при комнатной температуре

Уменьшение периода осцилляций от образца к образцу указывает на уменьшение приповерхностного электрического поля, что вызвано более низким уровнем легирования эпитаксиального слоя. Здесь также показана ширина на полувысоте основного экситонного пика фотоотражения (ДЕ) Было замечено, что ДЕ уменьшается при снижении концентрации |Но-Кд| Полученная эмпирическая зависимость приведена на рисунке 3 Величина ДЕ может служить дополнительным источником информации о качестве полупроводникового слоя

Характеризация образцов ОаАэ с концентрацией меньше 1014 см3 проводилась при температуре 85 К В этих условиях удавалось выявить осциллирующую структуру, аналогичную ОФК и количественно оценить

Полученые при пониженной температуре методом ФО значения концентрации хорошо коррелировали с данными метода Холла (Т=77К) Однако, в случае, когда эпитаксиальные слои выращивались на п+-подложке, фотоотражение оставалось практически единственным методом количественного определения Это вызвано тем, что при

использовании электрофизических методов сильнолегированная подложка шунтирует исследуемый эпитаксиальный слой

Помимо спектральной особенности в фундаментальной области, в спектрах ФО ваЛв наблюдается длинноволновый пик при энергии на

30-40 мэВ меньше ширины

запрещенной зоны этого материала Интенсивность длинноволнового пика (ДВП) связана с шириной области пространственного заряда, которая, в свою очередь, зависит от уровня легирования образца Мы

предположили, что отношение интенсивности ДВП к амплитуде основной осцилляции можно

использовать для косвенной оценки ширины области пространственного заряда Наблюдалось резкое увеличение этого отношения при уменьшении Данное явление можно связать с увеличением ширины области, в которой происходит модуляция поглощения при многократном внутреннем отражении от задней грани образца

20............

Т=298 К

2 10

ш" <

1е+13 1е+14 1е+15 1е+16 1Ы0-МА1, см3

Рис 3 Зависимость ширины на полувысоте пика ФО вблизи Е?ех от концентрации свободных носителей заряда в ОаАэ, определенной по ОФК

Четвёртая глава посвящена исследованию методами ФО и ЭО твердых растворов ОаАэьхРх

В

первой части главы

описано исследование твердых растворов методом ФО.

На рисунке 4 приведены типичные спектры фотоотражения твердых растворов ОаАэ! ХРХ при х=0 3, 0 37 и 0.38 Энергия запрещенной зоны увеличивается с увеличением доли фосфора Полученные экспериментально значения Ея приведены в таблице 2 Эти значения хорошо согласуются с данными, опубликованными в литературе

Как и для бинарных соединений, спектры ФО твердых растворов представляют собой затухающие осцилляции Франца-Келдыша. Используя описанную

Рис 4 Типичные спектры фотоотражения твердых растворов СаАЗ|.хРх при х=0 30 , 0 37 и 0 38

выше методику в этом материале также были определены напряженности внутреннего электрического поля Полученные результаты сведены в таблицу 2

Таблица 2

Состав (х) Концентрация по Холлу, см"3 Ширина запрещенной зоны (метод ФО), эВ Напряженность электрического поля Е5, кВ/см Концентрация, (метод ФО), см"3

0 18 3 6 10" 1 590 132 6 2 1017

0.28 2 8 10" 1 650 11 4 7 10'6

0 30 — 1 790 6 1 0 Ю16

0 37 - 1 822 55 1 2 1017

0 38 2 3 1017 1 840 60 1 6 1017

Очевидно, что величина пиннинга уровня Ферми на поверхности твердых растворов ОаАЗ|.хРх зависит от состава Эти данные отсутствуют в литературе, поэтому для одновременного определения и концентрации, и пиннинга мы воспользовались методом электроотражения

35

30

25

«20 о

ей

<15

10

5

0

ОФК

У= -О 6В

\= -0 4В

У=-02В

* 1 ■ 1 ■

Вторая часть четвертой главы посвящена исследованию твердых растворов

ОаАз( ХРХ методом ЭО, а также разработке

независимого метода определения высоты

потенциального барьера металл-полупроводник Уь, (на примере контакта Аё- СаА5,.хРх)

На рисунке 5 показаны типичные

спектры электроотражения СаАБьхРх (х=0,7) при разных величинах

обратного смещения (V) Из рисунка видно что, число ОФК растет с увеличением обратного смещения Чем больше осцилляций, тем точнее определение поля

Для определения качества барьера Шоттки была построена зависимость напряженности приповерхностного электрического поля от корня квадратного обратного смещения. Линейность этой зависимости подтвердила хорошее качество исследуемых барьерных структур

Важным отличием ЭО от ФО является возможность прикладывания хорошо контролируемого напряжения смещения Это позволяет получать для каждого образца целую серию модуляционных спектров (рис 5), а анализ спектров ЭО (при нескольких V) дал возможность определить не только Е, и но и Уь, Учитывая прикладываемое напряжение смещения V в решении уравнения Пуассона, получаем следующее соотношение для высоты потенциального барьера

Егке„

1,5

2

2,1

V 2,3 Энергия, эВ

2,4

2,5

Рис 5. Типичные спектры электроотражения твердых растворов ОаАз^Р* (х=0,7)

т, кТ

- + У + — е

(4)

При помощи этого уравнения и двух или более спектров ЭО определяется искомая высота барьера Уь,. В таблице 3 приведены основные результаты, которые получены с помощью используемого метода Из таблицы видно, что Уь, сильно зависит от состава твердого раствора и растет с увеличением доли фосфора в нем

_Таблица 3

Состав (х) Напряженность электрического поля Еэ, кВ/см Концентрация свободных носителей заряда, см'3 Высота барьера Vbl, эВ

0 20 1 75 1015 0 75

03 64 3 81016 0 91

04 92 2 81016 П 1 05

0 57 52 7 31015 1 24

07 79 1.55 1016 1.29

0 85 106 2 41016 1 50

На рисунке 6 показана зависимость высоты барьера А§-Оа.А.51.хРх от состава для исследованных образцов твердых растворов На этом рисунке видно, что определенная методом электроотражения высота потенциального барьера Ац-СаАЗ].хРх монотонно растет с увеличением доли фосфора в твердом растворе Отметим, что в полученной нами зависимости не наблюдается характерный «излом» вблизи х=0,46 при переходе от прямой к непрямой структуре

энергетических зон

1,6

/L

са1-2 Г>

а Ой> гА

«0,8

о о

3 "0,4

0,2 0,4 0,6 0,8 1 состав (х)

Рис 6 Зависимость высоты барьера Ag-ОаАэ! ХРХ от состава

Эта эмпирическая зависимость может быть аппроксимирована квадратичной функцией состава х:

Уь, = 0 36-х2 + 0 61-х+ 0 73. [эВ] (5)

Эта зависимость хорошо коррелирует с данными, полученными на этих же образцах фотоэлектрическим методом

В заключении сформулированы основные результаты работы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Показано влияние свободных носителей заряда на форму спектральных линий фото- и электроотражения монокристаллических эпитаксиальных слоев 1пР и ОаАБ

2. Бесконтактно, при комнатной температуре определена напряженность приповерхностного электрического поля и измерена концентрация |Ыо-КА| в 1пР (6 1015- 1 10,8см"3) и в СаАэ (5 1013-5 10,7см~3)

3 Методом электроотражения определена высота потенциального барьера Ад-ваАз! ХРХ при разных составах Показано, что эта величина монотонно растет с увеличением доли фосфора в твердом растворе и может быть аппроксимирована квадратичной функцией состава х

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Бесконтактное определение концентрации свободных носителей заряда в сверхчистом арсениде галлия / А А Моез [и др.] // 6-я Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике - Санкт-Петербург, 2004 - С. 4

2 Определение концентрации свободных носителей заряда в эпитаксиальных слоях арсенида галлия методом фотоотражения / А А Моез [и др ] // Изв СПбГЭТУ "ЛЭТИ" (Известия государственного электротехнического университета) Сер Физика твердого тела и электроника -2005 -№2 -С 48-51

3. Комков, О С Низкотемпературное фотоотражение сверхчистого арсенида галлия /ОС Комков, А А. Моез // 8-я научная молодежная школа

по твердотельной электронике "Актуальные аспекты нанотехнологии" -Санкт-Петербург, 2005 - С 48

4 Моез, А А Исследование твердых растворов ОаА5|.хРх методом электроотражения / А А Моез, ОС Комков // 10-я научная молодежная школа по твердотельной электронике "Физика и технология микро- и наносистем" -Санкт-Петербург, 2007. - С.51-52.

Подписано в печать 9 11 2007 Формат 60x84/16 Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ЗАО «КопиСервис» Печать ризографическая Заказ № 1/911 П л 10 Уч -изд л 10 Тираж 100 экз

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

Список основных используемых в работе обозначений и сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

Гл.1. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСОГО ЛОЛЯ НА ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ InP, GaAs, и GaAsP

1.1. Эффект Франца-Келдыша.

1.2. Экситонные эффекты.

1.3. Фото- и электроотражение как методы исследования полупроводниковых материалов.

1.4. Исследование InP, GaAs и GaAs|.xPx методами фото- и Электроотражения.

Гл. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ИССЛЕДОВАННЫЕ ОБРАЗЦЫ

2.1. Установка для измерения спектров фото- и электроотражения

2.1.1. Функциональная схема и аппаратура установки ФО.

2.1.2. Градуировка установки и выбор фотоприемников.

2.1.3. Технические данные модернизированной установки.

2.1.4. Методика измерений спектров фото- и электроотражения.

2.2. Характеристики исследованных образцов.

2.2.1. Образцы эпитаксиальных слоев GaAs и InP.

2.2.2. Образцы твердых растворов GaAsi.xPx.

Гл. 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЁВ InP и GaAs

3.1. Исследование эпитаксиальных слоёв InP методом ФО.

3.2. Определение концентрации свободных насителей заряда в эпитаксиальных слоех InP.

3.3. Исследование эпитаксиалных слоёв GaAs методом ФО

3.3.1. Определение напряжённости электрического поля в эпитаксиальных слоях GaAs методом фотоотражения.

3.3.1а. Область энергий hco>Eg.

3.3.16. Область энергий hco<Eg

3.3.2. Исследование GaAs методом фотоотражения при низкой температуре.

Гл. 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ GaAs,.xPx МЕТОДАМИ ФОТО- И ЭЛЕКТРООТРАЖЕНИЯ

4.1. Результаты, полученные методом фотоотражения.

4.2. Результаты, полученные методом электроотражения.

4.3. Оценка качества исследованных барьеров Шоттки Ag-GaAs,.xPx.

4.4. Определение параметров барьера Шоттки для системы Ag-GaAs,.xPx.

4.5. Определение высоты потенциального барьера Ag-GaAsi.xPx.

Полупроводниковые эпитаксиальные слои и структуры на основе арсенида галлия и фосфида индия являются не только интересными объектами для фундаментальных исследований, но и широко используются в оптоэлектронике и наноэлектронике. Именно на основе этих материалов изготавливаются современные полупроводниковые приборы, поэтому неразрушающая диагностика таких слоев является важной задачей физики полупроводников. Применяемые для этой цели методы электронной микроскопии, Оже-спектроскопии и электронно-зондового микроанализа весьма трудоёмки и требуют дорогостоящего оборудования. Развиваемые в настоящей работе методы фотоотражения (ФО) и электроотражения (ЭО) являются разновидностью модуляционной оптической спектроскопии и обладают высокой чувствительностью и информативностью. Они сравнительно просты в практической реализации, не требуют помещения образца в высокий вакуум и являются неразрушающими.

Исследуемые в настоящей работе эпитаксиальные слои арсенида галлия, фосфида индия и их твёрдые растворы являются базовыми материалами для современной опто- и наноэлектроники. Поэтому полученные результаты могут представлять общий интерес для физики и техники полупроводников.

Целью работы является исследование влияния легирования на форму спектров фото- и электроотражения объемных кристаллов и эпитаксиальных слоёв InP, GaAs, GaAsi.xPx и разработка неразрушающих методов определения концентрации свободных носителей заряда, напряжённости встроенного электрического поля и высоты потенциального барьера в структурах металл-полупроводник.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Измерение модуляционных оптических спектров фотоотражения InP и GaAs и влияния концентрации свободных носителей заряда на их форму.

2. Расшифровка дифференциальных спектров ФО и ЭО и выделение вклада экситонных переходов в их формирование.

3. Определение встроенных электрических полей и концентрации свободных носителей заряда по спектрам ФО и ЭО в эпитаксиальных слоях InP и GaAs.

4. Измерение спектров ФО и ЭО эпитаксиальных слоев твёрдых растворов GaAsixPx и разработка метода определения концентрации свободных носителей заряда в них.

5. Разработка метода определения высоты потенциального барьера металл-полупроводник на примере системы Ag-GaAs!.xPx и определение влияния состава твёрдого раствора на эту величину.

В качестве объектов исследования были выбраны:

- эпитаксиальные слои n-GaAs с концентрацией свободных носителей заряда от 1013до 1017см"3, выращенные методом газофазной или жидкофазной эпитаксии как на полуизолирующих, так и на низкоомных п+-подложках;

- эпитаксиальные слои п- и р-InP с концентрацией свободных носителей заряда п от 1015до 1018см"3 и р~1016см'3, выращенные методом газофазной эпитаксии;

- эпитаксиальные слои твёрдых растворов GaAs|.xPx в диапазоне составов 0<х<1, выращенные методом газофазной эпитаксии.

Научная новизна представленных в работе результатов заключается в следующем:

1. Показано, что форма модуляционных спектров фото- и электроотражения монокристаллических эпитаксиальных слоев InP и GaAs определяется в основном концентрацией свободных носителей заряда.

2. Спектральное положение и форма осцилляций в спектрах ФО и ЭО GaAsi.xPx определяются как составом х твёрдого раствора, так и концентрацией свободных носителей заряда.

3. Методом электроотражения определена зависимость высоты потенциального барьера Шоттки Ag-GaAs|.xPx от состава твёрдого раствора и показано, что она может быть аппроксимирована квадратичной функцией х.

Практическая значимость работы:

1. На основе измерений спектров фотоотражения разработан неразрушающий метод определения концентрации свободных носителей заряда в объемных кристаллах и эпитаксиальных слоях InP, GaAs и GaAsi.xPx в диапазоне изменения п от 5-Ю13 до 5-Ю17 см"3.

2. Получены данные о высоте потенциального барьера Шоттки Ag-GaAsj.xPx, необходимые для создания селективных фотоприёмников.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Форма линий фото- и электроотражения однородных эпитаксиальных слоёв InP и GaAs определяется концентрацией свободных носителей заряда и изменяется с её ростом от единичной осцилляции в случае малых концентраций

19

10 см для GaAs) к уширяющимся затухающим осцилляциям Франца-Келдыша.

2. Фотоотражение, измеренное при комнатной температуре, позволяет определять концентрации свободных носителей заряда в InP в диапазоне от 6-1015 до МО18 см-3 и в GaAs в диапазоне от 5-1013 до 5-1017см~3.

3. Высота потенциального барьера Ag-GaAsixPx, определённая методом электроотражения, монотонно растёт с увеличением доли фосфора в твёрдом растворе и может быть аппроксимирована квадратичной функцией состава х.

Апробация результатов работы:

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

- 6-й Всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, Россия, 2004);

- 8-й научной молодёжной школе по твердотельной электронике " Актуальные аспекты нанотехнологии"( Санкт-Петербург, Россия, 2005);

- 10-й научной молодежной школе по твердотельной электронике "Физика и технология микро- и наносистем" (Санкт-Петербург, Россия, 2007);

- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2005-2006).

- Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научные работы, из них - 1 статия // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ" (Известия государственного электротехнического университета). Сер. Физика твёрдого тела и электроника. -2005. - № 2. - С. 48-51.

Работа выполнена на кафедре Микроэлектроники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» в

Отраслевой научно-исследовательской лаборатории оптических методов контроля.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы, включающего 68 наименования. Основная часть диссертации изложена на 58 страницах машинописного текста. Работа содержит 30 рисунка и 12 таблиц.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Показано влияние свободных носителей заряда на форму спектральных линий фото- и электроотражения монокристаллических эпитаксиальных слоев InP и GaAs.

2. Бесконтактно, при комнатной температуре определена напряжённость приповерхностного электрического поля и измерена концентрация |ND-NA| в InP (6-10,5-1.4-1018 см-3) и в GaAs (5-10,3+5Т017см-3).

3. Методом электроотражения определена высота потенциального барьера Ag-GaAs|.xPx при разных составах. Показано, что эта величина монотонно растёт с увеличением доли фосфора в твёрдом растворе и может быть аппроксимирована квадратичной функцией состава х.

В заключение выражаю глубокую благодарность тем, без чьего участия не состоялась бы настоящая работа:

- Александру Николаевичу Пихтину, научному руководителю, - за постановку задачи и всестороннюю поддержку при проведении научных исследований, результаты которых вошли в диссертацию;

- Олегу Сергеевичу Комкову, за его постоянную помощь.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Franz, W. Influence of an electric field on an optical absorption edge (in German) / W. Franz // Z. Naturforsch. -1958. V. 13a. - P. 484-489.

2. Келдыш, JI.B. О влиянии сильного электрического поля на оптические характеристики непроводящих кристаллов / JI.B. Келдыш // ЖЭТФ. 1958. Т. 34, Вып. 5.-С. 1138-1141.

3. Бонч-Бруевич, B.JI./ В.Л.Бонч-Бруевич, С.Г.Калашников // Физикаполупроводников. М.: Наука. — 1979. С. 157.

4. Frova, A. Shift of optical absorption edge by an electric field: Modulation of light in the space-charges region of a Ge p-n junction / A. Frova, P. Handler // Appl. Phys. Lett. 1964.-V. 5.-P. 11-13.

5. Frova, A. Franz-Keldysh effect in the space-charges region of a germanium p-n junction/A. Frova, P. Handler//Phys. Rev. 1965, -V. 137. -P. A1857-A1861.

6. Кардона, M. Модуляционная спектроскопия / M. Кардона ; пер. с англ. М. : Мир, 1972.-416 с.

7. Тягай, В.А. Электроотражение света в полупроводниках / В.А. Тягай, О.В. Снитко. Киев: Наукова думка, 1980. -302 с.

8. Abramowitz М., Stegun L A./ Handbook of Mathematical Functions/ M.Abramowitz, L.A.Stegun: NBS Math. Ser. —Washington, DC: US GPO, 1970.-No. 44.-Sect. 10.

9. Питер, Ю. Основы физики полупроводников / Питер Ю, М. Кардона ; пер. с англ. под ред. акад. Б. П. Захарчени. 3-е изд. - М.: Физматлит, 2002. - С. 560.

10. Thamarlingham, К. Optical absorption in the presence of uniform electric field/ K. Thamarlingham // Phys. Rev. 1963. - V. 130. - P. 2204-2206.

11. Estrera, J.P. Complex Airy analysis of photoreflectance spectra for III-V semiconductors / J.P. Estrera, W.M. Duncan, R. Glosser // Phys. Rev. B. -1994. -V. 49. P. 7281-7294.

12. Aspnes, D.E. Schottky barrier electroreflectance: Application to GaAs / D.E. Aspnes, A.A. Studna // Phys. Rev. B. 1973. - V. 7. - P. 46054625.

13. Wannier, G.H. The structure of excitation levels in insulating crystals / G.H. Wannier//Phys. Rev. 1937.-V. 52.-P. 191-197.

14. Mott, N.F. Conduction in polar crystals -II / N.F. Mott // Trans. Faraday Soc 1938.-V. 34-P. 50-54.

15. Киселёв.В.А. Экситонная спектроскопия приповерхностной области полупроводников/ В.А.Киселёв, Б.В.Новиков, А.Е.Чередниченко. 2-е Изд., доп. и испр. -СПб.: Изд-во СПбГУ, 2003. - С. 244.

16. Скайтис, Э. Влияние неоднородного поверхностного потенциала на экситонное отражение света / Э. Скайтис, В.И. Сугаков // Лит. физ. сб. -1974. -Т. 14, Вып. 2. -С. 297-304.

17. D. F. Blossey., Phys. Rev. В Solid state. -1971. -Vol 3,4. - P. 1382-1391.

18. Ландау, Л.Д. Квантовая механика, нерелятивистская теория / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц ; -М.: Физматгиз, 1959. -704 с.

19. Blossey, D.F. Wannier exciton in an electric field. I. Optical absorption by bound and continuum states / D.F. Blossey // Phys. Rev. В Solid state. - 1970. -№19.-P. 3976-3990.

20. Merkulov, I. A. Effect of electron-hole interaction on electroabsorption in semiconductors/ I.A. Merkulov, V.I. Perel' // Phys. Lett. A. 1973. -V. 45. -No. 2. - P. 83-84.

21. Меркулов, А.И. Влияние экситонного эффекта на электропоглощение в полупроводниках / А.И. Меркулов // ЖЭТФ.-1978. -Т. 66, Вып. 6. С. 2314-2324.

22. Аронов, А.Г. Влияние электрического поля на экситонное поглощение /

23. А.Г. Аронов, А.С. Иоселевич // ЖЭТФ.-1974. -Т. 74, Вып. 3. С. 10431052.

24. Pond, S.F. Flatband electroreflectance of gallium arsenide: II. Comparison oftheory and experiment / S.F. Pond, P. Handler // Phys. Rev. B. Solid State. -1973.-V. 8.-P. 2869-2879.

25. Frova, A. Electric field shift of the absorption edge in the space charge region of a Ge p-n junction / A. Frova, P. Handler // Physics of Semiconductors / Ed. by M. Hulin.—Paris: Dunod. 1964. - P. 157-164.

26. Seraphin, B.O. Franz-Keldysh effect above the fundamental edge ingermanium/ B.O. Seraphin, R.B. Hess // Phys. Rev. Lett. 1965. -V. 14. -P.138-140.

27. Aspnes, D.E. Modulation spectroscopy/electric field effects on the dielectric function of semiconductors // Handbook of Semiconductors / Ed. by M. Balkanski. — Amsterdam: North-Holland. -1980. -V. 2. -P. 109-154.

28. Pollak, F.H. Modulation spectroscopy of semiconductors: Bulk/thin films, microstructures, surfaces/interfaces and devices / F.H. Pollak, H. Shen // Mater. Sci. Eng. -1993. -V. R 10. -P. 275-374.

29. Комков, О.С. Определение напряжённости электрического поля в квантовых ямах методами фото- и электроотражения / О.С. Комков, А.Н. Пихтин // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» / СПб гос. электротехн. ун-т. -2003. Вып. 2 : Физика твёрдого тела и электроника. С. 42-45.

30. Jiti Nukeaw. Characterization of InP 5-doped with Er by FFT photoreflectance / Jiti Nukeaw , Naoteru Matsubara, Yasufumi Fujiwara, Yoshikazu Takeda // Applied Surface Science. 1997. - V. 117-118. - P. 776.

31. Авакянц, Л.П. Исследование активации примеси в InP, имплантированном ионами бериллия, методом фотоотражения / Л. П. Авакянц, П.Ю. Боков, А.В. Червяков // Физика и Техника Полупроводников. 2005. - Том. 49. Вып 2 - С. 189.

32. Hwang, J. S. , Built-in electric field and surface Fermi level in InP surface-intrinsic n structures by modulation spectroscopy / J.S. Hwang, W. Y. Chou, M. C. Hung , J.S. Wang and H.H. Lin // J. Appl. Phys. 1997. - V. 82. - P. 3888.

33. Seraphin, В. O. Electroreflectance studies in GaAs / B.O. Seraphin // J. Appl. Phys. 1966. - V. 37. - P. 721-728.

34. Shay, L. Photoreflectance line shape at the fundamental edge in ultrapure GaAs / L. Shay // Phys. Rev. B. 1970. - V. 2. - P. 803.

35. Peters, L. Noncontact doping level determination in GaAs using photoreflectance spectroscopy / L. Peters , L.Phaneuf, L.W. Kapitan and W.M. Theis // J. Appl. Phys. 1987. - V. 62. - P. 4558.

36. Misiewicz, J. Semiconductor heterostructures and device structures investigated by photoreflectance spectroscopy / J. Misiewicz, P. Sitarek, G. Sek and R. Kudrawiec // Material Science. 2003. - V. 21. - P. 263-320.

37. Badakhshan, A. Correlation between the photoreflectance response at El andcarrier concentration in n- and p-GaAs / A. Badakhshan, R. Glosser, S. Lambert //J. Appl. Phys.-1991.-V. 69.-P. 2525.

38. Bottka, N. Surface and interface of GaAs/SI-GaAs structures investigated by photoreflectance spectroscopy / N. Bottka, D.K. Gaskill, R.S. Sillmon, R. Henry, R. Glosser//J. Electron. Mater.-1988.-V. 17.-P. 161.

39. Sydor, M. Photoreflectance measurements of unintentional impurity concentrations in undoped GaAs / M. Sydor, J. Angelo, W. Mitchel, T.W. Hass and Ming-Yuan Yen // J. Appl. Phys. 1989. - V. 66. - P. 156-160.

40. Маделунг О. Физика полупроводниковых соединений элементов III и V групп. // М.: Мир, 1967.

41. Маринина JI. И. Полупроводниковые фосфиды АШВУ и твердые растворы на их основе / Л.И. Маринина, А .Я. Нашельский, И.И. Колесник // М.: Металлургия, 1974.

42. Горюновой Н. А. Физика и химия соединений A"BV1. / Перевод с англ. под ред. Медведева С. А. М.: Мир, 1970.

43. J.A. Van Vechten, and Т.К. Bergstresser // Phys. Rev. В., 1970 - V. 1. -P. 3351.

44. Lupal M. V., and Pikhtin A. N // Fiz. Tech. Poluprovodn. 1980. - V. 14. - P. 2178 (English translation: semiconductors 14, 1291).

45. M. Bugajski, A. M. Kontkiewicz, and H. Mariette // Phys. Rev. В., 1983. -V. 28 . - P. 7105 and references therein.

46. Тодоров, M.T. Установка для исследования фотоотражения полупроводников / M.T. Тодоров, М.В. Коняев // Изв. СПбЭТИ / -1992. Вып. 433.-С. 57-60.

47. Спектрометр инфракрасный ИКС-31. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. -Л.: ЛОМО, 1977.

48. Коняев, М. В. Исследование гетеропереходов и квантово-размерных структур методом фотоотражения . Дисс. канд. физ.-мат. наук. СПб.: СПбГЭТУ, 1995.

49. Зайдель, А.Н. Таблицы спектральных линий / Зайдель А.Н. и др. // -М.: Физматгиз, 1962.

50. Аксененко, М. Д. Микроэлектронные фотоприемные устройства / Аксененко М. Д., Бараночников М. Л., Смолин О.В. // -М. Энергоатомиздат, 1984., L. P. Avakyants, P. Yu. Bokov, А. V. Chervyakov, Физика и техника полупроводников. 2005. - V. 39. - С. 189.

51. V.L. Dostov, Yu. V. Zhilyaev, I.P. Ipatova, A.Y. Kulikov, Y.N. Makarov, G.R. Markaryan // High Purity Mater. -1989. -V. 4. -P. 74.

52. Жиляев, Ю.В. // Дисс. . д. физ.-мат. наук. АН СССР. ФТИ им. А.Ф. Иоффе.-Л., 1991.

53. Ботнарюк, В.М. Особенности эпитаксиальных слоёв GaAs как детекторов а-частиц / В.М. Ботнарюк и др. // Письма в ЖТФ. -1998. -Т. 24. -С. 8-15.

54. С. А. Тарасов . Исследование фотодиодных структура на основе фосфидагаллия и твердых растворов AniBv для селективных фотоприемников Дисс. д. физ.-мат. наук. СПбГЭТУ. СПб., 2001.

55. D. Е. Aspnes// Surf. Sci. 1973. - V. 34.-P. 418.

56. Пихтин, A. H. Фотоотражение полуизолирующего GaAs при frco<Eg/A. Н. Пихтин, М.Т. Тодоров // ФТП. 1994. -Т. 28. - С. 1068-1075.

57. Hughes, P. J. Analysis of Franz-Keldysh oscillation in photoreflectance spectra of a AlGaAs/GaAs single-quantum well structure / P. J. Hughes, B. L. Weiss, T. J. C. Hosea // J. Appl. Phys. 1995. -V. 77, No. 12. - P. 6472-6480.

58. Коняев, M.B. Исследование гетеропереходов в квантово-размерных структурах методом фотоотражения. Дисс. . канд. физ.-мат. наук. -СПб., 1995.

59. Розеншер, Э. Оптоэлектроника / Э. Розеншер, Б. Винтер; пер с фр. под ред. О.Н. Ермакова. 2-е изд. - М. : Техносфера, 2004. - 592 с.

60. Adachi, S. Optical dispersion relation for GaP, GaAs, GaSb, InAs, AlxGai.x As, InixGaxAsyPi.y / S. Adachi // Journal of Applied Physics. 1989. - V. 66. - P. 6030.

61. B.Sapoval / Physics of Semiconductors // (Spring, New York, 1995).

62. Шур, M. Физика полупроводниковых приборов : в 1-х книгах / С. Зи ; пер. с англ. под ред. д.ф.-м.н. Р.А. Суриса. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Мир, 1984.

63. D. G. Parker// GEC J. of research. 1987. - V. 5. No. 3. - P. 116.

64. Зи, С. Физика полупроводниковых приборов : в 1-х книгах / С. Зи ; пер. с англ. под ред. д.ф.-м.н. Р.А. Суриса. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Мир, 1984.