Исследование полупроводниковых эпитаксиальных слоев и квантово-размерных структур в системах Ga-In-P-As и Al-Ga-As методом фотопропускания тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

рга вкин Андрей Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ И КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР В СИСТЕМАХ Са-1п-Р-А* И АЮа-Ав МЕТОДОМ ФОТОПРОПУСКАНИЯ

Специальность: 01.04.10 - Физика полупроводников

и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург -1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственно электротехническом университете.

Научный руководитель -

доктор физико-математических наук, профессор Пихтин А.Н. Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Сейсян Р.П., кандидат физико-математических наук Соловьев И.В.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственны институт точной механики и оптики (Технический Университет).

Защита диссертации состоится " 6 " о/етл^л 1998 г. часов на заседании диссертационного совета К 063.36.1 Санкт-Петербургского государственного электротехническог университета по адресу: 197376 Санкт-Петербург, ул. Прос] Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан" / " слни^л 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Семенов Н.Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современный этап развития полупроводниковой микро- и наноэлектроники характеризуется переходом к многослойным и низкоразмерным структурам, таким, как различного рода гетеропереходы, структуры с квантовыми ямами, сверхрешетки, квантовые нити и точки. Взаимодействие размерно-квантованных электронных состояний в сверхтонких эпитаксиальных слоях толщиной от единиц до сотен межатомных расстояний с близко расположенной поверхностью или интерфейсом во многом определяет электрические и оптические свойства таких объектов. В связи с этим принципиальное значение приобретает разработка методик исследования и контроля параметров таких слоев и структур. Применяемые для этих целей методы электронной микроскопии, Оже-спектроскопии и электронно-зондового анализа весьма трудоемки и требуют дорогостоящего оборудования. Измерения фото- и электролюминесценции, позволяющие получить информацию об энергетическом спектре носителей заряда в полупроводниковых структурах, не вполне его отражают вследствие передачи возбуждения на более низкоэнергетические состояния. Развиваемый в работе метод фотопропускания, как один из разновидностей методик модуляционной оптической спектроскопии, является неразрушающим, обладает высокой чувствительностью, не требует помещения образца в глубокий вакуум и сравнительно прост в практической реализации. Возможны измерения в течение всего периода выращивания структуры на различных этапах технологического процесса. Бесконтактность метода обеспечивает его использование для исследования реальных готовых приборных структур, а возможность проведения контроля в процессе выращивания позволяет получать информацию для корректировки и отработки технологии.

В качестве основных объектов исследования были выбраны структуры на базе полупроводниковых соединений А3В5. Интерес к данным материалам объясняется их широким использованием в современной нано- и оптоэлектронике. Широкие пределы изменения параметров решетки и ширины запрещенной зоны твердых растворов А3В5 позволяют создавать оптоэлектронные

приборы, работающие во всей видимой и ближней ИК-области спектра и являющиеся основными рабочими элементами в системах оптической передачи и записи информации.

Характер исследованных объектов позволил разделить работу на две основные части:

- исследование квантово-размерных структур в системах ОаЛп-Р-Ав и А1-Оа-Ая;

- исследование эпитаксиальных слоев фосфида галлия и твердых растворов арсенида-фосфида галлия.

Целью работы являлось изучение и развитие метода фотопропускания для исследования и диагностики эпитаксиальных слоев и квантово-размерных гетероструктур, его применение для определения энергетического спектра носителей заряда и качества реальных приборных структур на основе полупроводников А3В5, а также исследование методом фотопропускания состояний экситонов, связанных на изоэлектронных примесях в полупроводниках с непрямой структурой энергетических зон.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- модернизация и автоматизация экспериментальной установки и разработка методик регистрации спектров фотопропускания;

- проведение цикла экспериментальных исследований образцов гетероструктур с различными исходными геометрическими и электрофизическими параметрами, полученными разными технологическими методами;

: - разработка на основе выбранных расчетных моделей методик определения параметров исследуемых объектов из анализа экспериментальных данных.

Научная новизна представленных в работе результатов заключается в следующем:

1. На основании исследования квантово-размерных гетероструктур с узкозонной активной областью показана эффективность метода фотопропускания для определения энергетического спектра носителей заряда и качества структур инжекционных лазеров в системах ОаЛт-хРуАзьуЛпР и АиОаьхАз/СаЛщ-хАБ/ОаАз. Обнаружено неоднородное уширение спектральных линий в структурах Оах1п]-хРуА$1-у/1пР,

выращенных методом жидкофазной эпитаксии, вызванное флуктуациями состава и ширины квантовой ямы.

2. В эпитаксиальных слоях ОаР:И и ОаА51-хРх:К впервые наблюдалась сильная осцилляция в спектрах фотопропускания при энергии фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны. Показано, что она обусловлена квадратичным эффектом Штарка на экситоне, связанном на изоэлектронной примеси - азоте, в приповерхностном поле полупроводника. Отдельные атомы азота, на которых образуются связанные экситоны, могут выступать в качестве своеобразных атомарных датчиков определения напряженности электрического поля внутри эпитаксиалыюго слоя или структуры.

3. Обнаружено уширение спектров фотопропускания на связанных экситонах в твердом растворе СаАзгхРх'.М. Показано, что оно обусловлено эффектами беспорядка, вызванными микроскопическими флуктуациями состава твердого раствора.

4. Получены данные по фотоотражению слоев твердых растворов GaA.si.xPx непрямозонных составов. Показано, что сигнал фотоотражения обусловлен эффектом Франца-Келдыша в приповерхностной области объемного заряда полупроводника.

Практическая значимость работы:

- модернизирована и автоматизирована экспериментальная установка и разработаны методики измерения спектров фотопропускания при комнатной и пониженной температуре;

- разработаны методы диагностики структур полупроводниковых инжекционных лазеров на двойной гетероструктуре раздельного ограничения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Фотопропускание является эффективным методом для определения энергетического спектра носителей заряда и контроля качества и параметров квантово-размерных структур с узкозонной активной областью. Его применение для диагностики рабочих структур инжекционных лазеров на двойной гетероструктуре раздельного ограничения в системе ОаЛп 1 хРуАя]_у/[пР позволило установить, что наблюдавшееся значительное неоднородное уширение спектров (до 30...40 мэВ) вызвано флуктуациями состава твердого раствора и ширины квантовой ямы.

2. Наблюдавшаяся впервые в ОаР:Ы и ваАзкхРхгЫ сильная осцилляция в спектрах фотопропускания при энергии фотонов,

меньшей ширины запрещенной зоны исследуемых материалов, обусловлена квадратичным эффектом Штарка на экситоне, связанном на изоэлектронной примеси - азоте, в приповерхностном поле полупроводника.

З.Обнаруженное уширение спектров фотопропускания на связанных экситонах в твердом растворе GaAsi-xPx:N обусловлено эффектами беспорядка, вызванными микроскопическими флуктуациями состава твердого раствора.

Апробация результатов работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международных симпозиумах: "Nanostructures-95: physics and technology", "Nanostructures-96: physics and technology", (Санкт-Петербург, 1995, 1996 гг.), Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-98" (Зеленоград, 1998 г.) и научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ (1995-1997 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 3 статьи и 4 тезиса докладов на конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 115 наименований. Основная часть работы изложена на 85 страницах машинописного текста. Работа содержит 42 рисунка и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, ее научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер.

В ней на основе обзора литературы излагаются физические основы метода фотопропускания (ФП). Рассмотрены основные механизмы формирования спектров ФП в объемных материалах и низкоразмерных структурах как в рамках одноэлектронной теории, так и с учетом экситонных эффектов. Приведен краткий обзор и анализ экспериментальных методик.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки, методикам измерения спектров ФП при комнатной и пониженной температуре и общим характеристикам исследованных образцов. Приведена функциональная схема и основные технические параметры модернизированной и автоматизированной установки на базе инфракрасного спектрометра ИКС-31. Кратко описано созданное программное обеспечение для работы установки.

В третьей главе представлены результаты исследований фотопропускания полупроводниковых квантово-размерных гете-роструктур на основе трех- и четырехкомпонентных твердых растворов соединений А3В5. Приведены результаты измерений структур с квантовыми ямами (КЯ) в системах ОахГпьхРуАзьуЛпР и АкСаьхАяЛЗахГгп-хАз/ОаАз.

Эксперименты проводились на структурах, использующихся для производства конкретных приборов. Их особенность заключается в том, что активная область, находящаяся под более толстыми слоями различного типа электропроводности, является наиболее узкозонной, что и позволило применить методику фотопропускания. Окружающие слои и подложка выступают в качестве широкозонного окна для проходящего света. В этом случае удается избежать влияния подложки и обратной поверхности образца, что необходимо учитывать, например, в измерениях аналогичной методики фотоотражения.

§3.1 посвящен исследованию методом ФП образцов мезаполосковых зарощенных ОаЛт-хРуАзьуЛпР лазеров на двойной гетероструктуре раздельного ограничения (РО ДГС) диапазона 1.3 мкм, полученных модифицированным методом низкотемпературной жидкофазной эпитаксии. Толщина активной области составляла от 100 до 500 А для различных образцов.

Типичный спектр фотопропускания лазерной структуры приведен на рис.1. При комнатной температуре наблюдались резкие экситонные особенности от всех слоев структуры: активной области - длина волны 1.3 мкм, технологического стоп-слоя - 1.03 мкм и волновода - 1.11 мкм. Обращает на себя внимание довольно большая ширина спектральных пиков. Для выяснения природы уширения линий в спектрах ФП были проведены измерения при пониженной температуре, ддя чего образцы помещались на хладопровод азотного криостата. Форма

спектральных особенностей и ширина линий при этом практически не изменялась и составляла 30...40 мэВ как при Т=300 К, так и при Т=85 К. Такие широкие спектры имели все исследованные образцы, полученные по данной технологии, независимо от толщины слоев, образующих гетероструктуру. Данное обстоятельство свидетельствует о том, что температурный вклад в уширение спектральных линии не является основным. Значительно больший вклад дают механизмы, связанные с особенностями квантовых ям активной области и природой самого твердого раствора.

В §3.2 систематизированы результаты исследования фотопропускания структур РО ДГС инжекционных лазеров на основе системы А1хОа1-хА8/Оах1п1-хА8/ОаА5. Образцы были выращены методом газофазной эпитаксии из паров металло-органических соединений (МОСУБ - метод).

На рис.2 представлен типичный спектр ФП. Очень узкая линия в спектре, соответствующая сигналу от активной области, свидетельствует о высоком качестве структуры и позволяет с высокой точностью определить энергию оптического перехода в квантовой яме и, соответственно, лазерную длину волны. Экситонный характер 11Н перехода подтверждается резкостью спектральной линии. В коротковолновой области отчетливо проявляется особенность, связанная с экситонным переходом 11Ь. Как видно из рис.2, в данном случае в спектре ФП наблюдается сигнал только от квантовой ямы. Это связано с поглощающей подложкой ваАБ, которая не позволяет зафиксировать изменение пропускания других слоев структуры. Энергия 11Н перехода по нашим данным составила 1.278 эВ, что дало рабочую длину волны излучения лазера А,=0.97 мкм (технологические данные: А,=0.98 мкм). На этом же рисунке приведен спектр фотолюминесценции (ФЛ) указанной структуры при температуре Т=10 К. Наблюдается хорошее согласование данных ФЛ и ФП. С учетом температурного изменения ширины запрещенной зоны отличие составляет 0.2 мэВ.

§3.3 посвящен теоретическому анализу спектров фотопропускания. Показано, что в квантово-размерных структурах основным механизмом формирования сигналов ФП является влияние электрического поля на энергетический спектр носителей заряда. Модуляция встроенного поля инжектируемыми в

йш ,эВ

Рис.1. Спектр фотопропускания Сах1п|-хРуА81-уЛпР РО ДГС лазера. Т=300 К. На вставке схематично показана энергетическая зонная диаграмма.

Рис.2. Спектры фотопропускания при Т=300 К и фотолюминесценции при Т=10К АиСаьхАз/ОахГпьхАзЮаАз РО ДГС лазера. На вставке-энергетическая зонная диаграмма.

результате лазерной подсветки электронно-дырочными парами приводит к сдвигу и уширению уровней размерного квантования вследствие эффекта Штарка. При этом необходимо учитывать также экситонные эффекты, определяющие оптические свойства в системах пониженной размерности даже при комнатной температуре.

В квантово-размерных структурах выполняется условие а<3«1, где а - коэффициент поглощения, <1 - толщина поглощающего слоя. Поэтому изменение коэффициента пропускания ДТ при возбуждении поверхности образца лучом лазера, уменьшающего встроенное электрическое поле Ро на величину ДР, можно представить в следующем виде: ДТ - ТЩ - ДБ) - ТТО = [а^о) - а(Р0 - ДЮ]<1 ,

где а( Ро) и а( Ро-ДР) - коэффициент поглощения при отсутствии и наличии лазерной подсветки, соответственно.

Для моделирования спектров ФП необходимо знать вид контура поглощения. Форма линии поглощения и ее ширина зависят от ряда факторов и, в частности, определяются температурой кристалла и наличием в нем дефектов. В общем случае форма линии поглощения описывается сверткой функций Лоренца и Гаусса, однако, при преобладании каких-либо механизмов уширения хорошим приближением может служить собственно контур Лоренца или Гаусса. Уменьшение встроенного электрического поля в результате лазерной модуляции приводит одновременно к сдвигу и уменьшению ширины спектральной линии. В результате выражение для изменения коэффициента поглощения при уменьшении поля, описываемого лоренцевым (однородное уширение) и гауссовым (неоднородное уширение) контуром, соответственно, можно записать как

А(Г~ДГ) АГ

Даь(йю) =

[йа> - (Е0 - ДЕ0)]2 + (Г - ДГ)2 / 4

(Йю - Е0)2 + Г2 / 4:

Да0(Йа>) =

Г-ДГ А

ехр

-1п2

[йб)-(Е0 - ДЕ0)] (Г-ДГ)2/4

ехр

-1п2

(йо-Ер У Г2/4

где А - постоянная, включающая матричный элемент перехода; Г - ширина линии; Ео - энергия, соответствующая резонансной частоте поглощения; АГ и ЛЕо - соответственно уширение и сдвиг энергетического уровня при изменении поля.

Резонанс поглощения Ь-экситона, связанного с п и п' уровнями размерного квантования, проявляется при энергии

Ео = Ее + Еп + - Кпп,т ,

где Ег - ширина запрещенной зоны материала квантовой ямы; Епе и ЕпЬт - энергии п и п' - уровней размерного квантования электрона и дырки, соответственно; т - индекс, обозначающий тяжелую (т=Ь) или легкую (т=1) дырку; Л^'т - энергия связи соответствующего экситона.

В простейшем случае можно ограничиться учетом только одного резонанса, связанного с переходом между нижними уровнями размерного квантования электронов и тяжелых дырок, который дает, как правило, основной вклад в рассматриваемые эффекты. Такой подход позволяет непосредственно определять энергию оптического перехода.

Результаты описания формы линии экспериментальных спектров, полученные на основании данного приближения, свидетельствовали о том, что спектры ФП образцов на основе А1хОа1 -х Аб/Оах1п 1 -хАб/ОаАэ, выращенных методом МОС\Ю, хорошо описываются лоренцевым профилем, что свидетельствует об однородных механизмах уширения и высоком качестве эпитаксиального слоя квантовой ямы активной области. Противоположная ситуация наблюдалась для Оах1п1-хРуАяиЛпР -структур. При этом такие закономерности проявлялись для всех подобных образцов, выращенных методом жидкофазной эпитаксии. Спектры, измеренные при пониженных температурах, также описывались функцией Гаусса. Полученные результаты позволяют сделать вывод о различном качестве исследованных образцов, что связывается нами с особенностями технологии их получения.

Рассмотрению причин аномального уширения спектральных линий ФП, наблюдавшегося в структурах ОахГщ-хРуАзьуЛпР РО ДГС лазеров, посвящен §3.4. На основании численного решения уравнения Шредингера для уровней размерного квантования в электрическом поле и учете различных механизмов неоднородного уширения показано, что основной причиной

указанного эффекта является наличие в активной области лазерных структур флуктуаций ширины запрещенной зоны твердого раствора 5Eg и ширины КЯ 5Ь. Найденные характерные параметры флуктуаций составили 5Её=15 мэВ и 5Ь=20 А.

Эффективность метода ФП для диагностики структур полупроводниковых инжекционных лазеров продемонстрирована в §3.5. Здесь же приведены результаты измерения фотолюминесценции. Анализ спектров ФП при 300 К и ФЛ при 77 К позволил определить состав твердого раствора различных слоев и область длин волн лазерной генерации. Показано преимущество метода ФП по сравнению с ФЛ, заключающееся в возможности проведения измерений при комнатной температуре, на работу при которой рассчитаны готовые приборы.

Высокая чувствительность метода ФП позволила применить его для контроля однородности слоев по площади структуры на основе анализа наблюдаемых изменений в экспериментальных спектрах при сканировании по поверхности образцов. Наблюдалось изменение амплитуд и энергетического положения спектральных особенностей. Полученные результаты свидетельствуют о том, что флуктуации состава и ширины КЯ определяют не только собственно положение и ширину линий в спектрах ФП, но также и изменение их спектрального положения и уширения при измерениях в различных точках поверхности образца. Этот факт позволил объяснить аномально широкие спектры излучения при высоких уровнях инжекции готовых лазеров, реализованных на подобных исследованным структурах.

Четвертая глава посвящена исследованию методом фотопропускания экситонов, связанных на атомах азота в фосфиде галлия и твердых растворах арсенида-фосфида галлия.

В §4.1 дан краткий обзор представлений об энергетических состояниях экситонов, связанных на изоэлектронных примесях в эпитаксиальных слоях СаР и твердых растворов ОаАэьхРх, легированных азотом.

Методика подготовки образцов, отличная от других разделов работы, изложена в §4.2.

В §4.3 приведены результаты исследования фотопропускания эпитаксиальных слоев легированного азотом фосфида галлия. Концентрация азота составляла Мк~2-10|7...5-1018 см3 для различных образцов. На рис.3 изображен спектр ФП, измеренный

на однородном эпитаксиальном слое СаР:Ы при температуре Т=89 К, в сравнении со спектром оптического пропускания этого же образца. Отчетливо видна не только сильная резонансная Аи -линия связанного экситонас энергией перехода Ео=2.311 эВ, но и ее фононные повторения с испусканием фононов. Энергии ТА=13, ЬА=31 и ТО=45 мэВ фононов полностью согласуются с величинами, определенными из спектров люминесценции. Форма бесфононной линии аналогична спектру дифференциального электропоглощения в области Аы - линии связанного экситона, наблюдавшемуся в объемных кристаллах ОаР во внешних электрических полях. Это показывает, что сигнал ФП обусловлен сдвигом и уширением линии связанного экситона, вызванными квадратичным эффектом Штарка в приповерхностном поле полупроводника. Лазерная подсветка модулирует величину этого поля, изменяя оптическое пропускание активного слоя.

ДТЯ, 3 пр.ед. 2

1

О -1 -2

-3

-4

-5 -6

2.26 2.3 2.34 2.38

йш,эВ

Рис.3. Спектр фотопропускания СаР:К в области AN - линии связанного экситона (точки - эксперимент, сплошная линия - расчет). На вставке - спектр пропускания. Т=89 К.

Проведенный анализ формы линии спектра ФП показал, что в ваР:Ы контур поглощения близок к лоренцеву с полушириной Г~4 мэВ для образцов с Идд<1016 см*3, как это показано сплошной линией на рис.3. С увеличением концентрации свободных носителей заряда спектр уширяется и лучше описывается функцией Гаусса. Это связано с величиной и неоднородностью электрического поля в слое объемного заряда, где формируется сигнал ФП. В образцах с более высоким уровнем легирования затрудняется, либо вообще невозможна, идентификация фонон-ных повторений Аы- линии.

Сигнал ФП формируется в тонком приповерхностном слое полупроводника, что открывает возможность определять характеристики этой области, в частности - напряженность электрического поля из анализа формы спектра. Т.е. атомы азота, на которых образуется связанный экситон, в данном случае выступают в качестве своеобразных атомарных датчиков для определения и контроля параметров материала. Рассчитанные на основе выражения для квадратичного эффекта Штарка в атоме водорода с учетом известной энергии ионизации основного состояния экситона в фосфиде галлия характерные величины напряженности встроенного поля составили ~Ю4 В/см.

§4.4 посвящен исследованию эпитаксиальных слоев твердых растворов ОаАБьхРх^. В качестве примера на рис.4 приведены спектры фотопропускания для двух образцов с составом х-0.9 и х=0.79. Наблюдается сдвиг Аы-линии связанного экситона в область меньших энергий вследствие изменения энергетических зазоров с уменьшением х. Одновременно происходит ее уширение, значительно превосходящее естественную ширину линии при данной температуре. При этом в спектрах не разрешаются фононные повторения Ак - линии, наблюдавшиеся в чистом фосфиде галлия.

Для состава твердого раствора х=0.79 в спектре ФП имелись особенности, проявлявшиеся в виде ступенек и перегибов, расположенных примерно на одинаковых расстояниях друг от друга (отмечены стрелками на рис.4). Наблюдаемые особенности внутри линии фотопропускания, вероятно, отражают плотность энергетических состояний связанного экситона, на энергию связи которого оказывает существенное влияние ближайшее окружение. Флуктуации состава твердого раствора вызывают флуктуации

ближайшего окружения, что, в свою очередь, приводит к появлению тонкой структуры внутри линии ФП.

АТУТ, пр.ед.

3

210-1 -2 -3 -4-1

2.05

„44 1'Л«

Ц.Л

д..

Ам (х=0.9)

А

■ чГ, Г к

Ан (х=0.79)

д - х=0.79 а - х=0.9

2.35

2.15 2.25

Йи,эВ

Рис.4. Спектры фотопропускания СаА51-,Рх:М в области Аы - линии связанного экситона. Т=89 К.

Полученные результаты показали, что уширение пропорционально разупорядочению состава, т.е. ~х(1 -х). Влияние хаотического разупорядочения в твердом растворе на ширину Ам -линии особенно сильно вследствие сильной локализации связанного экситона. Наличие неоднородных механизмов ушире-ния, обусловленных неодинаковым окружением атомов азота, приводило к тому, что общий контур линии, как и следовало ожидать, в твердом растворе описывался функцией Гаусса.

В пятой главе представлены результаты исследований фотоотражения (ФО) эпитаксиальных слоев ОаАэьхРх. До настоящего времени в литературе отсутствует информация по ФО данных твердых растворов. Исследовались образцы с прямой (х<0.49) и непрямой структурой энергетических зон: х=0.39-ъ0.9.

Спектры всех изученных образцов имели особенности, связанные с последовательно затухающими осцилляциями Франца-Келдыша (ОФК), обусловленными прямыми оптичес-

кими переходами в центре зоны Бриллюэна. В качестве иллюстрации на рис.5 приведены типичные спектры ФО для двух составов твердого раствора: прямозонного (х=0.43) и непрямозонного (х=0.8).

ДИ/Я, пр.ед.

3

2

1

О

-1

-2

1.7 2.1 2.5 2.9

ЛсьэВ

Рис.5. Спектры фотоотражения эпитаксиальных слоев GaA.si.xPx. Т=300 К.

В этой связи в §5.1 рассмотрены основные теоретические положения одноэлектронной теории, рассматривающей в рамках эффекта Франца-Келдыша влияние электрического поля на диэлектрические и оптические свойства вещества вблизи пороговых энергий, которые необходимы для интерпретации экспери-тальных спектров ФО.

§5.2 посвящен определению состава и напряженности приповерхностного электрического поля в указанных материалах. Величины встроенных полей и составы твердого раствора определялись по положению экстремумов ОФК. Для отдельных образцов наблюдалось наложение ОФК с разными периодами от различных областей структуры. Осцилляции с большим периодом обусловлены приповерхностным электри-

Е/

У ■ ■ ......... |

а ■ ■ ■ д А Д д - х=0.8 в - х=0.43

№ ; ■ ■ / - ■ • » / Л л А А .....»д А д"« .ж. А £

ческим полем. Осцилляции с меньшим периодом были связаны с полем на гетерогранице эпитаксиальный слой - подложка,

В заключении сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основании систематического исследования гетеро-структур ОахГпьхРуАэьуЯпР и АШаьхАз/СахЬ ьхАз/СаАя показана эффективность метода фотопропускания для определения энергетического спектра носителей заряда в квантовых ямах и контроля качества квантово-размерных структур с узкозонной активной областью.

2. Обнаружено, что в структурах, выращенных методом жидкофазной эпитаксии, наблюдается значительное неоднородное уширение спектральных линий (до 30...40 мэВ), в то время как в структурах, полученных газофазной эпитаксией из паров метал-ло-органических соединений, уширение не превышает 5...10 мэВ.

3. Показано, что неоднородное уширение спектров фото пропускания структур, изготовленных жидкофазной эпитаксией, вызвано флуктуациями состава твердого раствора и ширины квантовой ямы активной области.

4. Разработаны методики диагностики полупроводниковых инжекционных лазеров с возможностью контроля параметров по плоскости структуры.

5. Впервые в спектрах фотопропускания экспериментально наблюдалась А - линия экситона, связанного на изоэлектронной примеси - азоте, в эпитаксиальных слоях фосфида галлия и твердых растворов арсенида - фосфида галлия. Сигнал фотопропускания обусловлен сдвигом и уширепием линии связанного экситона, вызванными квадратичным эффектом Штарка в приповерхностной области полупроводника.

6. Обнаруженное неоднородное уширение спектральных линий связанного экситона в твердом растворе ОаЛвихР^М обусловлено эффектами беспорядка, вызванными микроскопическими флуктуациями состава.

7. Получены данные по фотоотражению эпитаксиальных слоев твердого раствора ОаАэьхРх непрямозонных составов (х>0.49). Все они имеют особенности, связанные с осцилляциями

Франца-Келдыша в области прямых переходов Egr. Продемонстрирована эффективность метода для определения состава твердого раствора и напряженности встроенного электрического поля в приповерхностной области с возможностью качественного контроля однородности поля.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Konyayev M.V., Pikhtin A.N., Ivkin A.N. Photo-transmittance investigation of LPE-grown InGaAsP/InP laser structures II The Electrochemical Society Interface.-In: Proc. of the 187th ECS Meeting.-Reno, Nevada, May 21-26, 1995.-1995.-Vol.4.-N 1.-P.172.

2. Ivkin A.N., Konyayev M.V., Pikhtin A.N. Qualification of QW laser structures using photoreflectance and phototransmittance spectroscopy // Proc. of the Int. Symposium "Nanostructures: physics and technology".-St.-Petersburg, June 26-30, 1995.-P.338-341.

3. Ivkin A.N., Konyayev M.V., Lazarenkova O.L., Pikhtin A.N. Stark effect on bulk and quantum-confined excitons in AlGaAs/GaAs/InGaAs and InGaAsP/InP nanostructures // Proc. of the Int. Symposium "Nanostructures: physics and technology ".-St.-Petersburg, June 24-28,1996.- P.l 13.

4. Ивкин A.H., Коняев M.B., Пихтин A.H. Диагностика лазерных структур с квантовыми ямами методами фотоотражения и фотопропускания//Изв. ГЭТУ. Сб.научн.трудов.-Вып.495: Современные материалы и методы исследований микроэлектроники и оптоэлектроники.-С.-Пб.: Изд.ГЭТУ.-1996.-С,33-43.

5. Ивкин А.Н., Коняев М.В. Экситонный эффект Штарка в квантово-размерных структурах ¡1 Изв.ГЭТУ. Сб.научн.трудов,-Вып.504: Материалы и приборы нового поколения опто-электроники и сенсорики.- С.-Пб.: Изд.ГЭТУ.-1997.-С.67-73.

6. Ивкин А.Н., Лазаренкова О.Л. Характеризация полупроводниковых наноструктур методами фотоотражения и фотопропускания II Тез.докл. Всероссийской межвузовской научн.-техн. конф. студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информа-тика-98". -Зеленоград, 20-22 апреля, 1998.-Ч. 1.-С.34.

7. Ивкин А.Н., Пихтин А.Н. Фотопропускание на связанных экситонах в эпитаксиальных слоях GaP(N) и GaAsi-xPx(N) // Письма в ЖТФ.-1998.-Т.24.-Вып. 11.-С.18-21.