Оптическая спектроскопия подзон размерного квантования в двумерном электронном слое на поверхности кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ь ид

2 6 ДПР 1003

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК . ОРДЕНА ЛЕНИНА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

КОЗЛОВ Андрей Александрович

' УДК 621.315.592

ОПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ПОДЗОН РАЗМЕРНОГО КВАНТОВАНИЯ В ДВУМЕРНОМ ЭЛЕКТРОННОМ СЛОЕ НА ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ .

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

-Петербург 1993

Работа выполнена в Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе Российской Академии наук.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук П.Д. Алтухов.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук A.B. Субашиев,

доктор физико-математических наук Б.С.1 Разбирин.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный,

университет.

оО

Защита состоится "/f2 ybt&Jl 1993 г. в 15 часов на заседании специализированного совета К CQ3.23.01 в Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.26.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФТИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан "¡Jfr 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ.-мат. наук

Г.С. Куликов

Актуальность темы. Изучение свойств двумерных электронных систем - одно из перспективных направлений физики полупроводников.

Одним из наиболее удобных объектов, которые используются для исследования свойств двумерного электронного газа«является структура металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структура). При прило-аении электрического напряжения между затвором и подложкой МДГ1-структуры на поверхности кремния формируется потенциальная яма для электронов. В результате квантования движения электронов в этой потенциальной яме в направлении, перпендикулярном поверхности, в энергетическом спектре поверхностных электронов образуется набор подзон размерного квантования.

Для исследования энергетической структуры подзон в двумерных электронных слоях на поверхности кремния первое время наиболее иироко использовались метод межподзонного оптического резонанса в спектрах поглощения инфракрасного излучения и магиитотранспортный метод, основанный на изучении эффекта заполнения верхних по энергий подзон размерного квантования [1].

Обнаружение в работах [2,3] линии рекомбинационного• излучения двумерных электронов и неравновесных дырок на поверхности кремния в МДП-структурах (S-линни) привело к созданию нового высокочувствительного метода исследования - оптической спектроскопии двумерного электронного газа на поверхности полупроводника. В работах [4,5] в спектре рекомбинационного излучения двумерных электронов и неравновесных дырок на [lOOj-ловерхностн кремния были разрешены уровни Ландау двумерных электронов, что позволило непосредственно по спектрам люминесценции изучать плотность состояний двумерных электронов в магнитном иоле. Оптические исследования [100]-элект~ ровного слоя в более широком диапазоне концентрации двумерных электронов [6] показали, что спектр S-линии отражает форму спектра плотности состояний двумерных электронов при небольшой концентрации электронов. В работе было обнаружено, что при увеличении концентрации двумерных электронов на коротковолновом краю S-линии появляется резко выраженная особенность (экситонный резонанс), обусловленная усилением электронно-дырочного взаимодействия для электронов вблизи уровня Ферми [6]. Появление экситонного резонанса не связывалось авторами с заполнением электронами второй

подзоны размерного квантования,поскольку выполненные в [8] исследования проводились при плотности двумерных электронов не превы-пающей .критической концентрации начала заполнения второй подзоны в аккумулирующем слое [7]. В работе [8] коротковолновая особенность в спектре рекомбинационного излучения двумерных электронов и неравновесных дырок ча [100]-поверхности кремния наблюдалась приблизительно в той же области электронной концентрации, но интерпретировалась авторами как свидетельство заполнения электронами второй подзоны размерного квантования.

При интерпретации результатов оптических исследований двумерных электронных слоев на поверхности полупроводника необходимо учитывать изменения, которые происходят в равновесном слое при возбуждении в полупроводнике неравновесных носителей. Во-первых, неравновесные дырки,-связываясь на заряженных акцепторах, нейтрализуют заряд в слое обеднения. В результате на поверхности кремния в условиях оптического возбуждения образуется электронный слой, который независимо от типа и степени легирования кремния по своим свойствам близок к аккумулирующему слою. Кроме того, электронно-дырочное корреляционное взаимодействие неравновесных носителей с двумерными электронами приводит к образованию вблизи поверхности дополнительного неравновесного дырочного слоя [2,3]. При низких уровнях возбуждения присутствие второго слоя с малой концентрацией неравновесных дырок не должно сильно влиять на энергетический спектр двумерных электронов. Вместе с тем, кулоновское взаимодействие Электронов и .дырок" в такой двухслойной системе может приводить к возникновению экситонных эффектов.

Для выяснения природы экситонного резонанса в диссертационной работе проводились магнитооптические исследования линии рекомби-национного излучения двумерных электронов и неравновесных дырок на [100]-поверхности кремния до и после заполнения электронами второй подзона размерного квантования. После заполнения второй подзоны следовало ожидать существенных изменений в спектре рекомбинационного излучения.

Диссертационная работа посвящена изучению эффекта заполнения второй подзоны в [100]-аккумулирующем электронном слое в оптически возбужденном кремнии оптическим и магнитотранспортным методами

- 5 - '

и исследовали» новых физических явлений в системе двумерных электронов и неравновесных дырок в области заполнения электронами второй подзоны. При этом использовалось уникальное свойство МДП-структур - возможность непрерывного изменения плотности двумерных электронов в широком диапазоне. На основе полученных результатов в работе разработан метод оптической спектроскопии подзон размерного квантования в двумерном электронном слое на поверхности кремния. Основные положения этого метода кшко использовать в экспериментах по оптической спектроскопии двумерного электронного газа в гетероструктурах.

Актуальность диссертационной работы определяется тем, что выполненные в ней исследования связаны с фундаментальными проблемами физики двумерных электронных систем и физики поверхности.

Основная цель диссертационной работы состояла в исследовании новых физических явлений в системе двумерных электронов и неравновесных дырок на [100]~поверхности кремния в области заполнения электронами второй подзоны размерного квантования.

Для решения поставленной задачи, в диссертации были выполнены подробные исследования магнитопроводимости двумерного электронного слоя,спектров рекомбинационного излучения двумерных электронов и неравновесных дырок, а такие циркулярной поляризации излучения в магнитном поле. Кроме этого, для определения природы линий люминесценции в работе широко использовался' метод, основанный на изучении парамагнитного гашения рекомбинационного излучения.

Научная новизна и практическая ценность диссертации состоит в обнаружении новых свойств неравновесных носителей на поверхности полупроводника, которые имеют важное значение для физики двумерных электронных систем и физики поверхности. Эти результаты могут быть использованы в физике полупроводниковых приборов, работающих в условиях существования з них неравновесных носителей заряда.

Проведенные в работе экспериментальные исследования позволили сформулировать основные научные положения, представленные к защите.

1. Обнаружено заполнение второй подзоны размерного квантования в [ 100]-аккумулкрующем электронном слое в оптически возбужденном кремнии,которое сопровождается появлением новой линии люминеоцен-

ции, обусловленной излучательной рекомбинацией электронов из второй подзоны'и неравновесных дырок. Установлено, что вторая подзона представляет собой четырехкратно вырожденное орбитально-долин-ноо состояние электронов с главными осями элипсоидов изоэнергети-ческой поверхности, параллельными поверхности кремния. 8. Обнаружено, что в спектре состояний двумерных электронов и неравновесных дырок на [100]-поверхности кремния перед заполнением электронами второй подзоны возникает эхситонный уровень энергии, который обусловлен электронами из нижней подзоны и неравновесными дырками и наблюдается в спектре люминесценции в виде резко выраженной коротковолновой особенности (экситонного резонанса) линии рекомбинационного излучения двумерных электронов и неравновесных дырок.

3. Установлено, что эффект анизотропного гашения экситонного резонанса в- спектре рекомбинационного излучения двумерных электронов и неравновесных дырок на [100]-поверхности кремния в наклонном магнитном поле обусловлен заполнением нижних по энергии спиновых- состояний электронов и дырок в поверхностных эхситонах и сильной анизотропией g-фaктopa поверхностных дырок.

4. Обнаружена сильная анизотропия ¿-фактора неравновесных поверхностных дырок в кремнии.

Сформулированные в научных положениях результаты являются новыми .

Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались на семинарах ФТИ им.А.Ф.Иоффе.

Публикации. Основное содержание работы изложено в 3 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 88 наименований. Объем работы - 98 страниц, включая 21 рисунок.

СОДЕРШАНИЕ РАБОТЫ

Во введении, обоснована актуальность темы,сформулированы основная цель работы к положения, выносимые на защиту. Также приведены сведения об апробации работы,публикациях и структуре диссертации.

Первая глава носит обзорный характер. В первом параграфе этой главы приведены основные сведения об экситонах в кремнии. Во втором параграфе рассмотрены свойства неравновесных электронно-ды-рочньгх пар, связанных со слоем поверхностного заряда в кремниевых МДП-структурах. Обсуждаются причины, которые приводят к возникновению нового состояния неравновесных злектронно-дырочных пар на поверхности кремния. В третьем параграфе рассмотрены возможности широко используемого в диссертации метода исследования, основанного на изучении степени циркулярной поляризации рекомбинационно-го излучения в магнитном поле в геометрии Фарадея. В четвертом параграфе описывается экспериментальная техника.

Вторая глава посвящена исследованию эффекта заполнения второй подзоны размерного квантования в [100]-аккумуяирующем электронном слое на поверхности кремния в условиях оптического возбуждения.

Первый параграф представляет собой обзор работ по изучению эффекта заполнения второй подзоны в [100]-инверсионном электронном слое. В начале этого параграфа приведены известные сведения об энергетическом спектре двумерных электронов на [100]-поверхности кремния, который состоит двух наборов подзон [1]. Первый набор подзон, который определяется уровнями размерного квантования 5, Е^ ...,образуют электроны из двух долин с главными осями элипсои-дов изоэнергетической поверхности, перпендикулярными поверхности кремния. Второй набор, который определяется уровнями размерного „.квантования Е^ ..,образуют электроны из четырех долин с главными осями элипсоидов изоэнергетической поверхности,параллельными поверхности кремния. Е^ - подзона является нижней по энергии, а следующая по энергии подзона может определяться либо Е^ ,либо Е^-уровнями, для которых точный порядок расположения по энергии не выяснен [1]. Результаты обсуждаемых в обзорном параграфе работ свидетельствуют о том,что заполнение второй подзоны в [100]-аккумулирующем электронном слое в условиях сптичв! ' 1

Во втором параграфе приведены результаты магнитотранспортных исследований эффекта заполнения второй подзоны в [100]- аккумулирующем электронном слое э условиях оптического возбуждения. Маг-

следует ожидать при концентрации электронов п

5

нитотранспортный метод основан на изучении периода осцилляций Шубникова - де Гааза в зависимости проводимости двумерных электронов в магнитном поле от напрянения на затворе МДП-структуры. Способ регистрации заполнения второй подзоны этим методом заключается в том, что с началом заполнения второй подзоны по мере роста напряжения на затворе электроны, индуцированные на поверхности кремния, распределяются между двумя подзонами. Это приводит к изменению периода осцилляций Шубникова - де Гааза [1,7]. Б результате проведенных исследований была определена концентрация электронов в первой и во второй подзонах размерного квантования в зависимости от напряжения на затворе, измерена критическая концентрация электронов, соответствующая началу заполнения второй подзоны в [100]-аккумулирующем электронном слое в оптически возбужденном кремнии: п = 6.4 10 см

В третьем параграфе приведены результаты исследования линии рекомбинационного излучения двумерных электронов и неравновесных дырок в области заполнения электронами второй подзоны размерного квантования. Было обнаружено резкое усиление коротковолновой особенности Б-линии (эксктонного резонанса) перед заполнением второй подзоны. Установлено, что заполнение второй подзоны сопровождается исчезновением линии рекомбинационного излучения электронов из первой подзоны к неравновесных дырок (Б-линии) в спектре люминесценции и появлением новой линии, обусловленной излучательной рекомбинацией электронов из второй подзоны (Б^-линии). Исчезновение З-линии и появление новой линии определялось по изменению интенсивности, спектрального положения и спектральной ширины линии рекомбинационного излучения двумерных электронов и неравновесных

сг

дырок. После заполнения второй подзоны (п > п ) эта линия сдвигается в длинноволновую область спектра, а ее интенсивность возрастает. Особенно сильные изменения наблюдаются в циркулярной поляризации излучения в магнитном поле.

Результаты измерения степени циркулярной поляризации 3- и линий излучения в магнитном поле в геометрии йарадея обсукдаются в четвертом параграфе. В соответствии с правилами отбора для рекомбинационного излучения в кремнии 19], в магнитном поле.перпен-

дикулярном поверхности'кремния, циркулярная поляризация ТО-линии

излучения электронов из Е^, Е^ ...- подзон размерного квантования

и неравновесных дырок в геометрии Фарадея должна быть равна нулю.

В работе было обнаружено, что степень циркулярной поляризации Т0-

Е-линии излучения (экситонкого резонанса) з магнитном поле равна

нулю. Этот результат свидетельствует о том, что Э-линия излучения

(экеитонный резонанс) обусловлена электронами из нижней подзоны.

В то же время т>ексмбинационное излучение электронов из Е', Е'

О 1

подзон при тех же условиях должно быть поляризованным [9]. Обнаруженная циркулярная поляризация Т0-3^-лкнии излучения в магнит-> ном поле служит экспериментальным доказательством того,что вторая подзона представляет собой четырехкратно вырожденное орбитально-долинное состояние электронов Е^ с главными осями элипсоидов изо-энергетической поверхности, параллельными поверхности кремния.

Третья глава посвящена исследованию природы экситонного резонанса и новой узкой лиьйи излучения (З'-линки), которая появляется на коротковолновом краю Э-линки перед заполнением электронами второй подзоны размерного квантования. Было обнаружено, что перед заполнением второй подзоны в спектре состояний двумерных электронов и неравновесных дырок образуется два экситонных уровня энергии. Один из них может быть обусловлен состояниями электронов из верхней подзоны и наблюдается в спектре люминесценции в виде 5'-линии. Другой - обусловлен электронами из нижней подзоны и наблюдается в спектре люминесценции в виде экситонного резонанса на коротковолновом краю Э-линии. Эти экеитоны сильно взаимодействует с двумерным электронным газом, и их свойства з существенной мере определяются процессами многочастичного электронно-дырочного рассеяния. Появление поверхностных экситоноз идентифицировалось по возникновению эффекта гашения экситонного резонанса и 3'-линии в магнитном поле, связанного с заполнением нижних по энергии спиновых состояний электронов и дырок з поверхностных экситонах, для которых вероятность излучательных переходов мала. При этом, парамагнитное гашение экситонного резонанса зависело только от перпендикулярной поверхности кремния компоненты магнитного поля, что обусловлено сильной анизотропией §-фактора тяжелых двумерных дырок в экситонах с электронами из нижней подзоны. Вместе с тем.

гашение S'-линии не зависело от ориентации магнитного поля, поскольку экситоны с электронами из верхней подзоны удалены от поверхности, и состояния легких и тяжелых дырок в этих экситонах не расщеплены поверхностным потенциалом.

■ Четвертая глава посвящена результатам исследования анизотропии g-фактора двумерных неравновесных дырок из дырочного слоя в условиях заполнения электронами второй подзоны и дырок,локализованных на поверхностных центрах. Сильная анизотропия g-фактора поверхностных дырок приводит к анизотропному парамагнитному сдвигу линии. рекомбинационного излучения электронов из второй подзоны и двумерных неравновесных дырок (S^-линии), а также к анизотропному парамагнитному гашению линии рекомбинационного излучения двумерных электронов и дырок, локализованных на поверхностных центрах (D-линии). Эффект гашения D-линии s магнитном поле наблюдается при малой.плотности двумерных электронов в условиях сильной ориентации электронов в слое поверхностного заряда. Анизотропия g-фактора двумерных поверхностных дырок обусловлена тем, что из-за сильной связи орбитального и спинового момента дырок спиновой момент тяжелых двумерных дырок может ориентироваться в магнитном поле только в направлении, перпендикулярном поверхности кремния. По этой причине g-фактор тяжелых двумерных дырок в магнитном поле, параллельном поверхности, равен нулю [10].

В заключении сформулированы основные выводы, сделанные в дисг сертации на основе проведенных исследований.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Altukhov P.D., Bakun A.A., Kozlov A.A. Anisotropic paramagnetism of two-dimensional nonequilibrium carriers at a semiconductor surface // Proc. 2i ICPS (abstracts).- Beijing, 1992,-P.1S2.

2. Алтухов П.Д., Бакун A.A., Козлов A.A. Оптическое детектирование заполнения второй подзоны в [100]-аккумулирующем электронном слое в кремнии // Письма в ЩФ.- 1992.- Т. 18. Вып.5.-

С.28-32,

3. Алтухов П.Д., Бакун A.A., Козлов A.A. Эффект заполнения второй

- н -

подзоны в [100 [¡-аккумулирующем электронном слое в оптически возбужденном кремнии // ФТТ.- 1992.- Т.34. N 9.- С.2955-2959.

Список цитируемой литературы.

1. Аядо Т., Фаулер А., Стерн Ф. Электронные свойства двумерных систем. - М.; Мир, 1885.- 416 с.

2. Алтухов П.Д., Иванов A.B., Ломасов Ю.Н., Рогачев A.A. Рексм-бинационное излучение неравновесных электронно-дырочных пар, связанных со слоем поверхностного заряда в кремнии // Письма в ЮТФ.- 198?.- Т.38. N 1.- С.5-8.

3. Алтухов П.Д., Иванов A.B., Ломасов Ю.Н., Рогачев A.A. Двумерная электронно-дырочная система на поверхности кремния // Письма в ШЭТФ.- 1984.- Т.39. N 9.- С.432-436.

4. Кукушкин И.В., Тимофеев В.Б. Прямое определение плотности состояний двумерных электронов в поперечном магнитном поле // Письма в ГОТФ.- 1938.- Т.43. Вып.8.- С.387-390.

5. Кукушкин И.В., Тимофеев В.Б. Плотность состояний двумерных электронов в поперечном магнитном поле и экранирование случайного потенциала // ШЭТФ.- 1987.- Т.ЭЗ.Вып.З.- С.1088-1109.

6. Алтухов П.Д., Бакун A.A., Рогачев A.A., Рубцов Г.П. Эксктон-ный резонанс на уровне Ферми двумерных электронов на поверхности кремния // ШТ.- 1988.- Т.30. Вып.12, С.3560-3564.

7. Gusev G.M., Kvon Z.I)., Ovsyuk V.N. Substrate bias effects on the second subband occupation in the electron inversion layers on the (100) silicon surface // Sol.St.Commun.- 1984.-Vol.49, N 9.- P.889-801.

8. Kukushkin I.V., Klitzing K.von, Ploog K., Kirpichev V.E., Shepel B.H., Timofeev'V.B. Optical spectroscopy of the tridimensional subbands in GaAs-AlGaAs single heterojunctions and Si-MOSFETs // So1.St.Commun.-1989.-Vo1.70.N 11.- P.1015-1019.

9. Пшсус Г.Е. Поляризация экситонного излучения кремния под действием магнитного поля или одноосной деформация // ФТТ.~ 1977.- Т.19. Вып.8.- С.1653-1664.

10. Аверкиев Н.С., Монахов A,M. Размерное квантование дырок в сложной валентной зоне во внешнем магнитном поле, параллельном поверхности // ФТП.~ 1993.- Т.27. Вып.4.- С.600-609.

РТП ПЙЯФ, зак.248, тир.ЮО, уч.-изд.л.О,б; 3I/ÏÏ-I993 г.

Бесплатно