Оптическая и магнитооптическая спектроскопия квантоворазмерных (In, Ga)As/GaAs гетероструктур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

Муманис Халид

ОПТИЧЕСКАЯ И МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ КВАНТОВОРАЗМЕРНЫХ (1п,Са)А8/СаА* ГЕТЕРОСТРУКТУР

01.04.10 "Физика полупроводников и диэлектриков"

ДИССЕРТАЦИЯ На соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук проф. Сейсян Рубен Павлович

Санкт-Петербург 1999

Содержание

Введение......................................................................................................4

Глава I. Напряженные гетеросистемы с квантовыми ямами

(1п,Са)А8/СаА8 и их свойства......................................................................................................9

1.1. Напряженные гетеросистемы (1п,Оа)Аз/ОаА8, зонная структура и методы их изготовления....................................................................................................................9

1.1.1. Методы изготовления напряженных гетероструктур (1п,Оа)А8/ОаАз......,....................................................................................................................10

1.1.2. Зонная структура ЬгОаАз/ОаАБ.......................................................................13

1.2. Диамагнитные экситоны в гетеросисгеме (1п,Оа)А8/ОаЛ8..........................19

1.3. Квантовые ямы и оптические свойства (1п,Оа)Аз/ОаА8..............................30

1.3.1. Квантовые ямы в (1п,Оа)Аб/ваАэ....................................................................30

1.3.2. Оптические свойства (1п,Оа)А8/ОаА8..........................................................36

1.4. Эффект "кулоновской ямы" и эффекты деформации......................................43

1.4.1. Эффект "кулоновской ямы"..................................................................43

1.4.2. Эффекты деформации................................................................................................49

Глава II. Техника экспериментального исследования......................................59

ПЛ. Образцы квантово-размерных гетероструктур ГпОаАз/СаАз, применение рентгеновских измерений для определения их параметров

и кристаллического совершенства......................................................................................59

II. 1.1. Рентгено дифракционный метод исследования

эпитаксиальных структур........................................................60

И. 1.2. Результаты рентгеновских измерений......................................................64

II. 1.3. Методика определения параметров квантово-размерных

гетероструктур 1пОаАз/ОаА8..........................................................69

11.2. Экспериментальная установка для исследования оптических и магнитооптических свойств при низких температурах............................................75

11.3. Методика обработки оптических и магнитооптических данных и расчета энергетических спектров................................................................................................79

И.3.1. Получение спектров поглощения из спектров пропускания 79

II.3.2. Контурный анализ и обработка спектров на ЭВМ............ 81

Глава III. Экспериментальные результаты .............................. 88

III. 1. Спектры оптического поглощения InGaAs/GaAs в диапазоне составов х=0.03-й).25 и в диапазоне толщин квантово-размерново слоя Lz=Зч-Юнм.............................................................................. 88

111.2. Магнитооптическое поглощение в структурах InGaAs/GaAs ...... 98

111.3. Веерные диаграммы экситонных переходов легкой и тяжелой дырок................................................................................... 100

Глава IV. Анализ результатов: тяжелые дырки. Циклотронная масса тяжелых дырок в системе InGaAs/GaAs............................. 109

IV. 1. Модель бесконечно глубокой потенциальной ямы.................... 111

IV.2. Массы подзон размерного квантования с учетом туннелирования легких дырок при деформации пленки в системе InGaAs/GaAs........... 116

IV. 3. Уровни Ландау электронов и тяжелых дырок, расчет эффективных масс, энергетических зазоров.................................... 120

Глава V. Анализ результатов: легкие дырки. Эффект "кулоновской ямы"................................................................ 136

V.I. Экситонная структура спектров поглощения и магнитопоглощения в близи перехода тип I-тип II........................... 136

V.2. Аномальное поведение экситонов на легких дырках и восстановление реальной формы "кулоновской ямы" в системе InGaAs/GaAs............................................................................ 152

V.2.1. Оценка ширины "кулоновской ямы"............................. 156

V.2.2. Осцилляторные уровни кулоновской ямы...................... 158

Заключение........................................................................... 162

Список литературы............................................................... 166

Приложение.......................................................................... 176

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современной науки и техники, требующей создания широкой номенклатуры полупроводниковых приборов с определенными параметрами, вызывает необходимость всестороннего изучения свойств полупроводниковых материалов. С другой стороны, успешное развитие теории твердого тела не может быть осуществлено без комплексного исследования зависимости этих свойств как от особенностей внутреннего строения веществ, так и от всевозможных внешних воздействий.

Среди основных методов изучения свойств полупроводниковых кристаллов одно из первых мест принадлежит оптическим методам. Оптические исследования с большой точностью позволяют определить многие параметры внутреннего строения кристаллов, качественные и количественные характеристики влияния на свойства полупроводников внешних полей и воздействий. Как показала практика подобных исследований, особенно плодотворными оказались низкотемпературные оптические методы.

Оптическая спектроскопия полупроводников, основанная на исследовании взаимодействия света с кристаллами, сыграла основную роль в развитии представлений о строении и уровнях энергии собственных состояний вещества. Методы оптической спектроскопии оказались незаменимыми при изучении края собственного поглощения полупроводников. Исследование энергетического положения спектральных линий и их формы дает важную информацию о структуре энергетических зон и энергетических состояний носителей тока в полупроводниках.

При обсуждении оптических, фотоэлектрических и других свойств кристаллов широко используется представление об экситонах. Изучение оптических спектров экситонов позволяет получать уникальную информацию об энергетической структуре кристаллов. Кроме того,

экситонные состояния весьма восприимчивы к внешним воздействиям, что лежит в основе разнообразных чувствительных методов, применяющихся для исследования полупроводников.

Основным объектом для оптических исследований, описанных в данной диссертации, послужили полупроводниковые гетероструктуры в системе ГпСаАз/ОаАз. Оптические свойства соединений А3В5 неизменно вызывают большой интерес у исследователей. Интерес к данным материалам объясняется их широким использованием в современной нано - и оптоэлектронике. Широкие пределы изменения параметров кристаллической

"5 с

решетки и ширины запрещенной зоны твердых растворов А В позволяют создавать оптоэлектронные приборы, работающие во всей видимой и ближней ИК-областях спектра и являющиеся основными рабочими элементами в системах оптической передачи, записи и воспроизведения информации.

С научной точки зрения монокристаллы А3В5 представляют собой также очень интересный объект для экспериментальных и теоретических исследований. Это классические модельные объекты исследования электронных свойств прямозонных кристаллов, на которых были впервые обнаружены и изучены многие фундаментальные свойства экситонных состояний. Благодаря высокому совершенству кристаллической решетки эти кристаллы выделяются также четкостью проявления эффектов.

Настоящая работа посвящена исследованию оптических свойств, связанных с экситонными состояниями в гетероструктурах с квантовыми ямами (1п,Оа)АзЛлаА8 . Особое внимание уделено магнитооптическим явлениям, касающимся поведения диамагнитных экситонов. Сравнение экспериментальных спектров с расчетными энергиями и силами осциллятора различных экситонных состояний вблизи перехода тип I - тип II позволит нам предложить модель трансформации оптических свойств при превращении глубокой гетероструктуры типа II в гетероструктуру первого

типа. Такая трансформация сопровождается изменением характера оптических переходов в экситонные состояния от пространственно непрямых к прямым. Модель позволяет еще и ряд других деталей энергетического спектра этой перспективной гетероструктуры

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложение. Первая глава носит обзорный характер, в ней представлены теоретические и экспериментальные данные по исследованию магнитооптических свойств экситонной системы, определена терминология, и описываются общие свойства экситона, также как и диамагнитного экситона. Рассматриваются проблемы, связанные с анализом спектров диамагнитного экситона при промежуточных магнитных полях. Обсуждаются процессы, происходящие в квантово-размерной гетероструктуре (множественные квантовые ямы), при поглощении света, в том числе и при приложении магнитного поля. Приводятся известные данные, касающиеся параметров экситона и зонных параметров ГпОаАз/ОаАБ.

Во второй главе дано описание методики эксперимента, приведена блок-схема экспериментальной установки для оптических и магнитооптических измерений, содержатся сведения об изучаемых структурах. Приведено подробное описание методики определения состава и геометрических размеров структур с помощью рентгеновских измерений. Определяется способ получения спектров оптической плотности и затем -поглощения из экспериментально измеренных спектров пропускания, анализируются погрешности вычислений, а также детали контурной обработки линий.

В третьей главе изложены экспериментальные результаты с подробным описанием существенных деталей измеренных спектров. Указывается на различие спектров, полученных при измерениях на разных образцах и в различных геометриях измерений.

В четвертой главе подробно обсуждено влияние гофрировки и деформации на поведение масс в подзонах гетероструктур типа 1пОаА8/ОаА8, вычисляется циклотронная масса тяжелых дырок и ее зависимость от состава. Определены уровни Ландау электронов и тяжелых дырок, и приведены полученные значения эффективных масс и энергетических зазоров.

В пятой главе проведен анализ оптических и магнитооптических данных, касающихся легких дырок. В первом параграфе описана экситонная структура спектров поглощения и магнитопоглощения пленок 1пОаАз/ОаАз в близи перехода тип 1-тип II. Во втором параграфе, обсуждается аномальное поведение экситонов на легких дырках в напряженных гетероструктурах ГпОаАз/ОаАз, и приводятся результаты магнитооптического эксперимента. Выполняется восстановление реальной формы "кулоновской ямы" в системе ТпСаАз/СаАя.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты выполненных исследований.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Напряженные гетероструктуры 1пхОа1.хА8/ОаАз на подложке ОаАэ являются гетеросистемами смешанного типа (тип I для электронов и тяжелой дырки, тип II для электронов и легкой дырки) для всего диапазона устойчивых составов 0<х<0.25. Вершина зоны легких дырок в слое ямы (1пОаАз) во всем этом диапазоне ниже барьера, максимальное заглубление при х=0.05-^-0.20 составляет 5-^7мэВ;

2. Несмотря на реализацию гетероперехода II для легкой дырки, оптические переходы в экситонные состояния не становятся пространственно непрямыми, но остаются прямыми, и происходят из осцилляторных состояний кулоновской ямы, которая образуется за счет кулоновского притяжения легких дырок к электрону, локализованному в яме;

3. Наиболее интенсивные линии переходов легкой дырки являются

дублетом, принадлежащим переходам с осцилляторных уровней п=0 и п=2 кулоновской ямы. Переходы с кулоновской ямы не формируют типичной веерной диаграммы в сильном магнитном поле В, положения максимумов слабо зависят от В;

4. В отличие от легких дырок, поведение экситонов с тяжелой дыркой вполне типично для магнитоэкситонов (ДЭ). Первоначальный диамагнитный сдвиг, пропорциональный квадрату магнитного поля, при достижении условия сильного поля сменяется линейным, характерным для уровней Ландау (диамагнитного экситбна). Расчет энергий связи позволяет реконструировать положения переходов между подзонами Ландау и рассчитать приведенные массы электрона и дырки, а также точное положение квантово-размерных уровней;

5. Эффективные массы тяжелых дырок в ямах напряженных гетероструктур (1п,Оа)А8/ОаА8 не составляют величины ~(у1+у)"1т0, но приближаются к ~(у1-2уу1Шо, характерному для объемного материала, что связано с "уходом" легких дырок из ямы;

6. Высота кулоновской ямы У0=14-г19мэВ, оценена непосредственно из эксперимента, изменятся от 0 при х=0 до максимального теоретического значения при х=0.05 и остается таковой до х<0.25. В лучших образцах возможно наблюдение до шести осцилляторных уровней.

ГЛАВА I. НАПРЯЖЕННЫЕ ГЕТЕРОСИСТЕМЫ С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ МаАз/СаАв И ИХ СВОЙСТВА

1.1. Напряженные гетеросистемы ХпСаАв/ваАв, зонная структура и методы их изготовления

В последнее десятилетие в физике полупроводников наметился резкий поворот интересов в сторону гетеросистем пониженной размерности. К ним относятся квантовые ямы, квантовые проволоки и квантовые точки, а также переходные состояния между ними. Оказалось, что, изменяя размерность и регулируя величину квантового ограничения, возможно радикальным образом изменять энергетический спектр системы, что способствует не только решению фундаментальных проблем квантовой механики полупроводниковых кристаллов, но и созданию совершенно новых приборов (впрочем, также и оптимизации известных). По-видимому, именно низкоразмерные гетеросистемы станут основной материальной базой микроэлектроники и оптоэлектроники грядущего столетия.

В настоящее время для изучения эффектов размерного квантования чаще всего используются гетероструктуры - физические контакты между полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны Её. На таком контакте края энергетических зон испытывают скачки, ограничивающие движение носителей и играющие роль стенок квантовой ямы.

Изготовление квантовых гетероструктур требует решения целого ряда проблем. Прежде всего, необходимо выбрать подходящую полупроводниковую пару для создания гетероперехода. Основным условием служит требование равенства постоянных решетки у обоих полупроводников. Нарушение этого условия может привести к образованию высокой плотности дислокаций несоответствия вблизи гетерограницы, что резко ухудшает свойства перехода и делает невозможным наблюдение не

только эффектов размерного квантования, но и специфических электрических свойств объемного гетероперехода.

Развитие физики гетероструктур обусловлено успехами технологии

выращивания сверхтонких слоев (вплоть до моноатомных) различных

полупроводниковых материалов. Наиболее употребительной для

выращивания квантовых гетероструктур является технология молекулярно-

1 2

пучковой эпитаксии [' ].

1.1.1 Методы изготовления напряженных гетероструктур ХпСаАэ/СаАэ

Термин «эпитаксия» происходит от греческих слов «ста» и «тас,18» -"расположение в порядке" и был предложен в 1928г. Руайе для описания процесса ориентированного нарастания кристаллов друг на друге. В общем случае, эпитаксия - это процесс ориентированного нарастания одного кристаллического вещества на другом.

В соответствии с критериями физико-химического взаимодействия эпитаксия разделяется на следующие виды:

Гомоэпитаксия («гомо» - однотипный) или автоэпитаксия (греческое «авто» - само) - процесс ориентированного наращивания кристаллического вещества на кристаллической подложке из того же вещества, различающихся, быть может, лишь содержанием примесей, либо когда осуществляется сопряжение одинаковых решеток с одинаковой ориентацией. По существу это обычный рост монокристаллов.

Гетероэпитаксия (греческое «гетеро» - другой) - процесс ориентированного нарастания, когда осуществляется сопряжение разнотипных решеток или однотипных, но с различными периодами, или однотипных с одинаковыми периодами, но по разному ориентированных.

Изобретение полупроводникового транзистора и инжекционного гетеролазера произвели переворот. в электронике, радикально улучшив

достижимые приборные характеристики и создав основу для широкого применения полупроводниковых материалов в микро- и оптоэлектронике. Для создания таких сложных современных приборов, как инжекционные гетеролазеры с квантово-размерной активной областью, могут быть применены только эпитаксиальные технологии высокого уровня, позволяющие надежно управлять профилями легирования и состава, контролировать рост слоев толщиной менее 10А, получать резкие гетерограницы и бездефектные слои.

Качество структуры таких гетероэпитаксиальных композиций определяется в первую очередь отсутствием пластической деформации вблизи активной области (рабочей части прибора), которая неминуемо приводят к появлению большого количества структурных дефектов.

Известно, что эффективность и надежность работы приборов полупроводников