Исследование полупроводниковых эпитаксимальных 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

/

г/* - / / -//94 - 4

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.И.УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

На правах рукописи

Ивкин Андрей Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭПИТАКСИАЛ ЬНЫХ СЛОЕВ И КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР В СИСТЕМАХ ОаТп-Р-АБ И АГва-Аз МЕТОДОМ ФОТОПРОПУСКАНИЯ

Специальность: 01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -доктор физ.-мат. наук, профессор Пихтин А.Н.

Санкт-Петербург-1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ .......................... 4

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.........10

Глава 1. ФОТОПРОПУСКАНИЕ КАК МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) .............................13

§1.1. Основные сведения о методе фотопропускания........13

§1.2. Механизмы фотопропускания...............16

§1.3. Эффект Франца-Келдыша вблизи края поглощения......18

§1.4. Экситонные эффекты...................22

§1.5. Фотопропускание квантово-размерных структур.......24

1.5.1. Уровни размерного квантования в квантовых ямах . . . . . 26

1.5.2. Экситонные эффекты..................31

§1.6. Экспериментальные методики фотопропускания.......37

ВЫВОДЫ...........................41

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИССЛЕДОВАННЫХ ОБРАЗЦОВ..............43

§2.1. Функциональная схема установки фотоотражения и фотопропускания .......................... ... 43

§2.2. Технические данные установки...............47

§2.3. Градуировка установки и выбор фотоприемников.......49

§2.4. Автоматизация эксперимента................51

§2.5. Методика измерений...................52

§2.6. Характеристики исследованных образцов..........53

ВЫВОДЫ...........................55

Глава 3. ФОТОПРОПУСКАНИЕ КВАНТОВО - РАЗМЕРНЫХ ГЕТЕРО-

СТРУКТУР.......................... 56

§3.1 Гетероструктуры GaxIni-xPyAsi-y/InP.............56

§3.2 Гетероструктуры AlxGai-xAs/GaxIni-xAs/GaAs.........61

§3.3. Анализ спектров фотопропускания.............65

§3.4. Влияние электрического поля, флуктуаций состава твердого раствора и ширины квантовой ямы на спектры фотопропусканкя активной области GaJni-xPyAsi-y/InP лазерных структур.........73

§3.5. Диагностика лазерных структур.............. 83

ВЫВОДЫ...........................93

Глава 4. ФОТОПРОПУСКАНИЕ НА СВЯЗАННЫХ ЭКСИТОНАХ В

ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЯХ GaP.N И GaAsi-xPx:N.......94

§4.1 Экситоны, связанные на изоэлектронных ловушках азота в фосфиде

галлия и твердых растворах арсенида-фосфида галлия...... 94

§4.2 Методика приготовления и характеристики образцов.....97

§4.3 Эпитаксиальные слои GaP:N................98

§4.4 Эпитаксиальные слои GaAs 1-хPX:N............. 108

ВЫВОДЫ...........................114

Глава 5. ФОТООТРАЖЕНИЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ

GaAsi-xPx...........................115

§5.1 Фотоотражение в рамках эффекта Франца-Келдыша.....115

§5.2 Определение состава твердого раствора GaAsi-чРч и напряженности

электрического поля.....................119

ВЫВОДЫ...........................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................127

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития полупроводниковой микро- и нано-электроники 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 вариантов 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.

В качестве 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 кристаллической 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.

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 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:

- 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 СаЛпихР^^ЛпР и А1хСа|-хА8/Оах1п|-хА5/ОаА5. Обнаружено значительное неоднородное уширение спектральных линий в структурах Сах1т-\Р АБиЛпР, выращенных методом жидкофазной эпитаксии, вызванное флуктуациями состава и ширины квантовой ямы;

- в эпитаксиальных слоях ОаР:Ы и ваАзичРч^ 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 эпитаксиального слоя или структуры;

- обнаружено уширение спектров фотопропускания на связанных экситонах в твердом растворе СаА5|-хРх:М. Показано, что оно обусловлено эффектами беспорядка, вызванными микроскопическими флуктуациями состава твердого раствора;

- получены данные по фотоотражению слоев твердых растворов ОаАБкхРх непрямозонных составов. Показано, что сигнал фотоо тражения обусловлен эффектом Франца-Келдыша в приповерхностной области объемного заряда полупроводника.

Практическая значимость работы:

модернизирована и автоматизирована эксперим стальная 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 GaxIni-xPvAsi-v/InP позволило установить, что наблюдавшееся значительное неоднородное уширение спектров ( то 30...40 мэВ) вызвано флуктуациями состава твердого раствора и ширины квантовой ямы.

2. Наблюдавшаяся впервые в GaP:N и GaAsi\P4:N 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.

3. Обнаруженное уширение спектров ФП на связанных эксигонах 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.).

Научные результаты работы опубликованы в 7-ми печатных работах, из них 3 статьи и 4 тезиса докладов на конференциях.

Работа выполнена на кафедре Микроэлектроники Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории оптических методов контроля.

Диссертация изложена в пяти главах.

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 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.

В третьей главе представлены результаты исследований фотопропускания полупроводниковых квантово-размерных гетероструктур на основе трех- и четырехкомпонентных твердых растворов соединений А3В5.

Приведены результаты измерений структур с квантовыми ямами в системах Оах1п|-хРуА5|.у/1пР и А1хСа|-хА5/Оач1п1-хА8/СаА5. Показана эффективность метода ФП для неразрушающего контроля приборных структур на примере инжекционных лазеров раздельного ограничения.

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

В пятой главе приведены результаты исследования фотоотражения эпитаксиальных слоев твердых растворов ваАз^Рч. Представлен метод расчета состава твердого раствора и приповерхностного электрического поля по экстремумам осцилляций Франца-Келдыша в режиме средних полей.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Ai, А/-функция Эйри первого рода и ее производная аех" боровский радиус экситона d-толгцина слоя

Ео-энергия оптического перехода Ес-энергия дна зоны проводимости Eex-энергия связи экситона EF-уровень Ферми Её-ширина запрещенной зоны Egx-экситонная ширина запрещенной зоны Ev-энергия потолка валентной зоны е-заряд электрона

F-напряженность электрического поля h-постоянная Планка hco-энергия фотона hQ-электрооптическая энергия ЬО-характеристическая энергия Франца-Келдыша 1-интенсивность

j-номер экстремума осцилляций Франца-Келдыша в спектре

фотоотражения

k-постоянная Больцмана

к, кх, ку, к2-волновой вектор и его компоненты по трем осям прямоугольной системы координат L, Lz-ширина квантовой ямы М-полная масса экситона mo-масса свободного электрона

те*,т|1|,*,т1ь*-эффективные массы электрона в зоне проводимости и тяжелой и легкой дырок в валентной зоне

Ы-число штрихов на миллиметр реплики Ыа, Нд-концентрации акцепторов и доноров

п-концентрация свободных электронов; номер энергетического уровня

Р-мощность излучения

^коэффициент отражения света

Рех-эффективный экситонный Ридберг

г-радиус-вектор

8-ширина раскрытия щели монохроматора Т-коэффициент пропускания света; температура и-единичная ступенчатая функция У-потенциал

Уе, Уи-потенциальные барьеры для электронов и дырок

х, у-составы твердого раствора

х, у, г-линейные координаты

а-коэффициент поглощения света

Г-параметр уширения

АЕо-сдвиг энергетического уровня

АГ-изменение уширения

Ау, АЕ, А?1-разрешаемый спектральный интервал АЯ-изменение отражения

А8аб., АЭдиф-аберрационное и дифракционное уширение изображения щели

АТ-изменение пропускания

Аа-изменение поглощения

5Е§-флуктуации ширины запрещенной зоны

8Ь-флуктуации ширины квантовой ямы

е-статическая диэлектрическая проницаемость вещества

ф-огибающая волновая функция

^-длина волны излучения

ц-приведенная межзонная эффективная масса электрона и дырки ф-безразмерная единица поля; фазовый фактор У-экситонная волновая функция у-волновая функция у-волновое число

ВОЛС-волоконно-оптическая линия связи ГФЭ-газофазная эпитаксия ДЭГ-двумерный электронный газ ЖФЭ-жидкофазная эпитаксия ИК-инфракрасный КЯ-квантовая яма

МПЭ-молекулярно-пучковая эпитаксия ОФК-осцилляции Франца-Келдыша

РО ДГС -двойная гетероструктура раздельного ограничения

СР-сверхрешетка

ФЛ-фотолюминесценция

ФО-фотоотражение

ФП-фотопропускание

ЭО-электроотражение

НЕМТ-транзистор с высокой подвижностью электронов МОСУО-газофазная эпитаксия из паров металло-органических соединений

Глава 1. ФОТОПРОПУСКАНИЕ КАК МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

§1.1. Основные сведения о методе фотопропускания

Основное достоинство метода фотопропускания, как одного из вариантов методик модуляционной оптической спектроскопии, заключается в том, что с его помощью можно эффективно изучать сплошные, с весьма слабо выраженной структурой, спектры поглощения твердых тел в области фундаментальной полосы. Особенности спектров, обусловленных электронными переходами между квазинепрерывными состояниями, непосредственно связаны с критическими точками (особенностями Ван Хова) зоны Бриллюэна. В методе фотопропускания регистрируется не сам спектр, а его производная по модулируемому параметру, что позволяет выявить особенности полосы поглощения и получить информацию о зонной структуре исследуемого кристалла.

Сущность метода фотопропускания состоит в регистрации изменения прошедшего сквозь образец зондового пучка света вследствие периодического возмущения поверхности образца лазерным лучом в области собственного поглощения исследуемого материала. В результате происходит модуляция электрического поля в приповерхностной области объемного заряда или на гетерогранице электронно-дырочными парами, фотоинжектируемыми за счет лазерной подсветки. Возникающие при этом изменения оптических характеристик вещества приводят к модуляции прошедшего зондового пучка света. Применение техники синхронного детектирования позволяет уверенно зарегистрировать дифференциальный спектр оптического пропускания. На рис. 1.1 приведена обобщенная схема измерения спектров фотопропускания.

Образец

Рис. 1.1. Обобщенная схема измерения спектров фотопропускания.

а)

0 Э 0 0 О

©

0 0

0 ©

0

б)

Ес 0 0 0 0 0 0

е

©

(±К Ь

0 О (Э

о 0

Рис. 1.2. Модуляция поверхностного барьера в результате оптической накачки: а) - лазер выключен; б) - лазер включен.

Среди других методов исследования и диагностики полупроводниковых материалов и структур фотопропускание выделяется рядом существенных преимуществ:

- неразрушающая природа (модуляция осуществляется светом, поэтому отсутствует необходимость в изготовлении электрических контактов);

- возможность измерений на различных этапах техноло1 ического процесса в течение всего периода выращивания структуры:

- высокая чувствительность;

- сравнительная простота практической реализации.

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.

Недостатком в применении метода фотопропускания является ограниченный круг пригодных для исследования материалов и структур, т.к. необходимо, чтобы образец был достаточно тонким или подложка был