Оптическая спектроскопия поверхности и внутренних границ раздела эпитаксиальных структур на основе соединений A3 B5

Альперович, Виталий Львович

Оптическая спектроскопия поверхности и внутренних границ раздела эпитаксиальных структур на основе соединений A3 B5 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Альперович, Виталий Львович АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Оптическая спектроскопия поверхности и внутренних границ раздела эпитаксиальных структур на основе соединений A3 B5»

Автореферат диссертации на тему "Оптическая спектроскопия поверхности и внутренних границ раздела эпитаксиальных структур на основе соединений A3 B5"

.*ДО **

На правах рукописи

Альперович Виталий Львович

ОПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ВНУТРЕННИХ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ А3В5

Специальность 01.04.10 (Физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени ' доктора физико-математических наук

Новосибирск -1998

Работа выполнена в Институте физики полупроводников СО РАН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Чаплик A.B.; доктор физико-математических наук, профессор Белослудов В.Р.; доктор физико-математических наук, профессор Мусатов A.JI.

Ведущая организация:

Физико-технический Институт им. А.Ф.Иоффе РАН

Защита состоится 15 декабря 1998 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.003.05.01 в Институте физики полупроводников СО РАН по адресу: 630090 Новосибирск, проспект академика Лаврентьева, 13

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики полупроводников СО РАН

Автореферат разослан 12 ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.ф.-м.н., профессор

Двуреченский A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современной физике полупроводников тонкослойные эпитаксиальные структуры, в том числе дельта-легированные слои, сверхрешетки и упруго-напряженные псевдо-морфные слои на несогласованных подложках, являются важным объектом научных исследований и базой для создания новых приборов. Электронные свойства таких структур в значительной мере определяются поверхностью и границами раздела между слоями. Исследование электронных свойств полупроводниковых границ включает, с одной стороны, выяснение природы и энергетического спектра локализованных поверхностных и интерфейсных электронных состояний, и с другой стороны, решение задачи о рассеянии электронов на границах. Поверхностные и интерфейсные электронные состояния определяют заряд на границах и, следовательно, величину встроенных электрические полей. Встроенные поля можно экспериментально определять по периоду осцилляции Франца-Келдыша, которые наблюдаются в электрооптических спектрах. Наиболее эффективным бесконтактным электрооптическим методом является спектроскопия фотоотражения. Актуальная задача метода фотоотражения состоит в разделении спектральных вкладов от поверхности и внутренних границ раздела тонкослойных зпитаксиальных структур. Решение этой задачи позволит получать информацию о локализованных электронных состояниях на границах раздела и восстанавливать энергетические зонные диаграммы эпитаксиальных структур.

Несмотря на интенсивные теоретические и экспериментальные исследования, вопрос о природе поверхностных состояний (ПС) в СэАб и других соединениях А3В5 до сих пор остается предметом дискуссий. Согласно теории [1,2], свойства ПС должны существенно зависеть от химической природы адсорбата, степени покрытия и атомной структуры границы раздела. Вместе с тем, в литературе долгое время доминировала модель универсальных поверхностных состояний, обусловленных собственными дефектами поверхности [3]. Согласно [3], эти дефекты возникают за счет энергии, выделяемой при

адсорбции, независимо от химической природы адсорбата. Эта модель позволяла объяснить наблюдавшееся во многих случаях закрепление уровня Ферми на поверхности полупроводников вблизи середины запрещенной зоны.

Вопрос о природе электронных состояний на границе полупроводников А3В5 с адсорбатами для ряда систем представляет не только академический, но и - практический интерес. В частности, актуальность границы раздела СаЛ5(Сз,0) обусловлена широким использованием фотокатодов с отрицательным электронным сродством (ОЭС) в фотоэлектронных приборах и в качестве источников ультрахолодных и спин-поляризованных электронов. Более глубокое понимание природы электронных состояний на этой границе необходимо для улучшения параметров традиционных СаАз(Сз,0) фотокатодов и разработки новых типов фотокатодов с ОЭС.

Поверхностное и интерфейсное рассеяние представляет большой интерес в связи с созданием полупроводниковых микроструктур и приборов, в которых перенос носителей заряда осуществляется в баллистическом режиме, а релаксация импульса и энергии происходит, в основном, на границах между слоями. Ранее в [4] был предложен спектроскопический метод изучения рассеяния импульса электронов в объеме и на поверхности полупроводника с помощью баллистического поверхностного фототока (ПФТ), возникающего благодаря явлению оптического выстраивания импульсов при возбуждении поляризованным светом [5]. Однако, из-за наложения эффектов диффузного рассеяния электронов на поверхности и внутренней границе эпи-таксиальной структуры, метод ПФТ неприменим для слоев с толщиной, меньшей длины свободного пробега по импульсу. В связи с этим, актуален поиск новых баллистических фотоэффектов, которые позволяют исследовать рассеяние как на поверхности, так и на внутренних границах раздела тонкослойных эпитаксиальных структур.

задачи состояли в исследовании процессов рассеяния импульса и энергии электронов на границах; выяснении природы локализованных поверхностных и интерфейсных состояний; определении встроенных электрических полей на границах раздела и построении энергетических зонных диаграмм эпитаксиальных структур; разработке оптических методов диагностики электронных свойств и структурного совершенства границ; повышении квантового выхода, стабильности и спиновой поляризации полупроводниковых фотокатодов с отрицательным электронным сродством.

Объекты и методы решения. В качестве объектов исследования использовались эпитаксиальные структуры на основе соединений А3В5, в том числе чистые эпитаксиальные слои арсенида галлия, структуры со специальным профилем легирования, дельта-легированные СлаАэ и композиционные /МЛя/'СаАя сверхрешетки, а также псевдоморфные слои твердых растворов 1пСаР и ГпваЛзР на подложках ваАБ. Большая часть этих структур была выращена в Институте физики полупроводников СО РАН методами газофазной, жидкофазной и молекулярно-лучевой эпнтаксии.

Механизмы рассеяния электронов в эпитаксиальных слоях изучались методом поляризационно-зависимых магнитоиндуцированных баллистических фотоэффектов. Использование этих эффектов дает возможность исследовать рассеяние импульса электронов как на поверхности, так и на границе эпитаксиального слоя с подложкой. Встроенные электрические поля определялись методами спектроскопии фототока и фотоотражеиия. Для разделения различных компонент спектров фотоотражения, обусловленных поверхностными электрическими полями и полями на внутренних границах раздела, применялись методики фазового подавления и Фурье-анализа осцилляции Франца-Келдыша. Электронные свойства границы раздела СаА5(СБ,0) в сверхвысоком вакууме, а также фотокатоды с отрицательным электронным сродством на основе ОаАэ и твердых растворов ГпСаАвР изучались с помощью методов спектроскопии фотоотражения, фототока, фотолюминесценции, поляризационно-

анизотропного отражения, квантового выхода фотоэмиссии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Экспериментально обнаружен новый фотоэффект - баллистический поверхностный фототок, индуцированный магнитным полем. Этот эффект позволил впервые определить диффузность рассеяния на границе эпитаксиального слоя арсенида галлия с полуизолирующей подложкой как функцию энергии электронов.

2. Предложены и развиты методы фазового подавления и Фурье-анализа осцилляций Франца-Келдыша, позволяющие разделять вклады в спектры фотоотражения от поверхности и внутренних границ раздела и восстанавливать энергетические зонные диаграммы тонкослойных эпитаксиальных структур.

3. Обнаружены транспортные резонансы фототока, обусловленные туннелированием электронов из контактной области на уровни Ванье-Штарка сверхрешеток А^ЛЗаАБ, а также междолинным Г-Х рассеянием электронов на гетерограницах. Предложена методика оценки шероховатостей гетерограниц по спектрам ванье-штарковских состояний в электрическом поле.

4. Обнаружены и исследованы обратимые изменения электронных свойств поверхности р-СаАэ при поочередной адсорбции цезия и кислорода при комнатной температуре, свидетельствующие о доминирующей роли поверхностных состояний, индуцированных адато-мами.

5. Предложен новый тип фотоэмиттеров для источников спин-поляризованных электронов на основе псевдоморфных напряженных слоев твердых растворов 1пОаР и ТпваАБР. Обнаружены и объяснены нелинейности в зависимостях сдвига и расщепления валентной зоны напряженных слоев от величины деформации.

навливать зонные диаграммы различных эпитаксиальных структур. В частности, эти методы используются для бесконтактного определения встроенных полей в структурах для арсенид-галлиевых полевых транзисторов на диодах Шоттки, транзисторов с высокой подвижностью электронов на основе гетероперехода ваАБ/АЮаАз, инжекционных гетеролазеров и электрооптических модуляторов света. Обнаруженный в работе магнитоиндуцированный баллистический фототок может быть использован для исследования рассеяния импульса электронов в объеме, на поверхности и внутренних границах раздела эпитаксиальных структур. Результаты по обратимым изменениям электронных свойств р-СаАя при адсорбции цезия и кислорода позволяют пересмотреть представления о природе поверхностных состояний и механизмах закрепления уровня Ферми на поверхности полупроводников А3В5. Работа по исследованию свойств и совершенствованию параметров фотокатодов на основе напряженных твердых растворов ТпваЛяР послужила научной основой для использования таких фотокатодов в качестве эффективных источников спин-поляризованных электронов. Для ГпСаАэР фотокатодов получены рекордные значения параметра качества - произведения квантового выхода фотоэмиссии на квадрат спиновой поляризации электронов. В настоящее время такие фотокатоды уже используются для получения пучков поляризованных электронов в Университете Майнца (ФРГ) и в Институте ядерной физики Амстердама (Нидерланды). Планируется использование таких фотокатодов в ряде других научных центров.

Положения, выносимые на защиту:

1. Развитые в работе методы оптической спектроскопии, использующие явление оптического выстраивания импульсов электронов при возбуждении поляризованным светом, фазовый и Фурье-анализ электрооптических спектров, позволяют изучать механизмы поверхностного и интерфейсного рассеяния электронов, определять встроенные электрические поля на поверхности и внутренних границах раздела и восстанавливать энергетические зонные диаграммы полупроводниковых эпитаксиальных структур.

2. Обнаруженные магнитоиндуцированные поляризационно-зависимые фотоэффекты обусловлены оптическим выстраиванием и циклотронным поворотом импульсов фотоэлектронов в тангенциальном магнитном поле, а также рассеянием на границах полупроводника. При низких температурах фотоэлектроны с энергией ~30 мэВ пересекают сравнительно толстые (-10 мкм) эпитаксиальные слои ОаАэ в баллистическом режиме и диффузно рассеиваются на границе с подложкой.

3. В структурах с модулированным легированием тонкая структура спектров фотоотражения вблизи ширины запрещенной зоны обусловлена не квантово-размерными оптическими переходами в потенциале дельта-слоев и дельта-легированных сверхрешеток, как считалось ранее, а осцилляциями Франца-Келдыша во встроенных электрических полях границ раздела буферных областей с подложками. Встроенное поле на границе с подложкой возникает благодаря закреплению уровня Ферми состояниями дефектов, возникающих на начальных стадиях молекулярно-лучевой эпитаксли.

4. Явление локализации Ванье-Шгарка позволяет оценивать степень гладкости гетерограниц в полупроводниковых сверхрешетках. В сверхрешетках А1Аз/ОаАя, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, границы являются псевдогладкими, то есть наряду с монотонным изменением толщины слоев по площади, присутствуют шероховатости гетерограниц высотой в один монослой и характерным латеральным размером не превышающим 10 нм.

5. Свойства границы раздела р-СаАБ с адсорбированными при комнатной температуре слоями цезия и кислорода определяются электронными состояниями, индуцированными адатомами, а не собственными дефектами поверхности.

6. Фотокатоды на основе упруго-напряженных псевдоморфных слоев 1пСаАзР/СаАэ перспективны для использования в источниках спин-поляризованных электронов, поскольку обладают, по сравнению с арсенид-галлиевыми фотокатодами, более высокими квантовым выходом, стабильностью фотоэмиссии и параметром качества - произведением квантового выхода на квадрат спиновой поляризации.

Апробация работы. Результаты исследований, вошедших в диссертацию, были представлены на Всесоюзных и Всероссийских конференциях по физике полупроводников (Кишинев 1988, Киев 1990, Нижний Новгород, 1993, Зеленогорск 1996, Москва 1997), 3-ем Всесоюзном семинаре по электронным процессам в двумерных системах (Новосибирск 1989), Всесоюзном семинаре по горячим электронам в полупроводниковых структурах пониженной размерности (Звенигород 1990), 20-ой и 23-ей Международных конференциях по физике полупроводников (Салоники 1990, Берлин 1996), 5-ой и 6-ой Международных конференциях по сверхрешеткам и микроструктурам (Берлин 1990, Ксиан 1992), Международном симпозиуме по аналогиям в оптике и микроэлектронике (Эйндховен 1991), 5-ой и 6-ой Международных конференциях по модулированным полупроводниковым структурам (Нара 1991, Гармиш-Партенкирхен 1993), на 1-ой и 2-ой Международных конференциях по физике низкоразмерных структур (Черноголовка 1993, Дубна 1995), на 14-ой Европейской конференции по поверхности (Лейпциг 1994), Европейско-американском семинаре по оптическим методам исследования электронных материалов (Галле 1994), 5-ой Международной конференции по формированию полупроводниковых интерфейсов (Принстон 1995), на 10-ом и 12-ом Международных симпозиумах по спиновой физике высоких энергий (Нагоя 1992, Амстердам 1996) и других конференциях. Результаты работы докладывались также на семинарах в ИФП СО РАН (Новосибирск), ФТИ им А.Ф.Иоффе (Санкт-Петербург), Московском Госуниверситете, Фриц-Хабер Институте и Ган-Майтнер Институте (Берлин), Национальном Институте Стандартов и Технологии (Гейзерсбург), Политехнической школе (Палезо), Техническом и Свободном Университетах Берлина, а также в университетах Майнца, Бонна, Эрлангена и Ныо-Йорка.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем работы составляет 288 страниц, включая 92 рисунка и 3 таблицы. Список цитированной литературы содержит 261 наименование.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулирована цель работы, выявлены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, изложены выносимые на защиту положения, дана краткая аннотация диссертационной работы.

В первой главе дан обзор использованных в диссертации методов оптической и фотоэлектрической спектроскопии для исследования поверхности и границ раздела полупроводниковых структур. Оригинальные результаты содержатся в §§1.1 и 1.2, в которых изложены методы поляризационной модуляционной спектроскопии полупроводников и спектроскопии фотоотражения (ФО). В § 1.1 детально изучены свойства широкоапертурного электрооптического модулятора поляризации на продольном эффекте Поккельса в силикате висмута. На основе этого модулятора создана автоматизированная установка поляризационной спектроскопии полупроводников, которая использовалась для исследования релаксации энергии и импульса электронов по спектрам поляризационно-зависимых баллистических фототоков. Проблемой метода спектроскопии фотоотражения (§1.2) является то, что в измеряемые спектры ФО могут давать вклад электрические поля от различных областей тонкослойной структуры. Это дает сложные, "смешанные" спектры и затрудняет их интерпретацию и количественный анализ. Нами предложены и развиты две новые методики разделения различных компонент спектров ФО. Методика фазового подавления основана на различиях в кинетике отклика и в сдвиге фаз компонент сигнала фотоотражения относительно модулированной накачки. Настраивая фазочувствительный детектор в противофазе с одной из компонент, можно выделить в чистом виде другую компоненту, и наоборот. Второй способ разделения компонент состоит в Фурье-анализе осцилляции Франца-Келдыша. Положение пиков в Фурье-образе спектра ФО дает величины встроенных электрических полей. К достоинствам Фурье-анализа следует отнести также фильтрацию шума, а также возможность быстрой компьютеризированной обработки спектров ФО и определения встроенных полей. Эти достоинства приближают спектроскопию фотоотражения к методикам, по-

зволяющим в реальном времени изучать процессы, происходящие на границах раздела, в том числе in situ, в вакууме или под слоем электролита. В §1.3 рассмотрен метод анизотропного отражения, который состоит в измерении разности коэффициентов отражения света, поляризованного вдоль кристаллографических осей [1 1 0] и [110] плоскости (001). В геометрии нормального падения разностный сигнал от объема кубического кристалла отсутствует, поэтому сигнал анизотропного отражения обусловлен оптическими переходами в поверхностном слое атомов, который имеет пониженную симметрию. В § 1.4 изложен метод фотоэлектронной спектроскопии полупроводников, который состоит в измерении энергетического распределения электронов, эмитированных в вакуум под действием ультрафиолетового или рентгеновского излучения. Поверхностная чувствительность данного метода обусловлена малой глубиной выхода фотоэлектронов.

Во второй главе развитый метод поляризационной модуляционной спектроскопии применен для обнаружения и исследования новых баллистических фотоэффектов: магнитоиндуцированного поверхностного фототока и магнитоиндуцированных поляризационно-завнсимых компонент фотопроводимости и фотоэдс. Показано, что эти эффекты позволяют исследовать механизмы рассеяния электронов на поверхности и внутренних границах раздела эпитаксиальных арсе-ннд-галлиевых структур. Баллистические фототоки (БФТ) возникают на этапе свободного движения носителей заряда от момента рождения светом до рассеяния по импульсу [4]. Величина БФТ зависит от длины свободного пробега по импульсу Lp и диффузности рассеяния электронов на поверхности полупроводника Q. При межзонных оптических переходах начальная энергия баллистических электронов е задается частотой света со, поэтому спектры БФТ содержат информацию об энергетических зависимостях параметров рассеяния Z,p(e) и Q(s). В §2.1 сообщается об обнаружении и исследовании магнитоиндуцированного поверхностного фототока (МПФТ), который позволяет определять энергетические зависимости диффузности рассеяния как на поверхности, так и на границе эпитакснального слоя с подложкой. МПФТ измеряется при нормальном падении на поверхность по-

лупроводника линейно-поляризованного света, который рождает анизотропное по импульсам распределение электронов [5]. В отсутствие магнитного поля функция генерации симметрична относительно поверхности, и ток равен нулю. Тангенциальное магнитное поле В поворачивает скорости электронов и нарушает симметрию функции распределения относительно поверхности. Если рассеяние на поверхности диффузное, то разность скоростей релаксации электронов, движущихся по направлению к поверхности и вглубь полупроводника, порождает фототок 3 на баллистическом этапе движения. Когда длина свободного пробега в объеме полупроводника Ьр превышает толщину слоя то диффузное рассеяние на границе с подложкой дает ток противоположного знака. Измерения МПФТ проводились на образцах чистого и-СаАз при температуре 4.2 К, с использованием методики модуляции поляризации света. Спектр МПФТ имеет вид затухающих знакопеременных осцилляций, обусловленных каскадным испусканием продольных оптических фононов и интерференцией вкладов электронов, рожденных вместе с тяжелыми и легкими дырками. Это подтверждает баллистическую природу эффекта. На рис.1 показаны зависимости ./(Я), измеренные в слоях различной толщины и для различных значений начальной энергии баллистических электронов. В слабых магнитных полях электроны пересекают тонкие слои {Ь>с[) в баллистическом режиме и рассеиваются на границе с подложкой. Поскольку диффузность поверхностного рассеяния ()} меньше диффуз-ности интерфейсного рассеяния 02, то знак тока определяется интерфейсным рассеянием. При увеличении В, когда циклотронный радиус становится меньше половины толщины пленки гс<сИ1, баллистические электроны, рожденные светом вблизи поверхности, не могут достичь границы с подложкой, и знак тока определяется поверхностным рассеянием. Это объясняет немонотонную знакопеременную форму зависимости МПФТ от магнитного поля </(£), наблюдавшуюся в тонких слоях (рис.1). Поверхностный вклад в фототок возрастает вплоть до полей, соответствующих гск. 1/а, где а«104 см"1 - коэффициент поглощения света. Из рис.1 видно, что относительный вклад интерфейсного рассеяния уменьшается при увеличении толщины

С* и

И и о

е с

-1

. дД

- о 1

А 2

□ 3

-<5"П

| 1 1

-0.1

0.1

В (Т)

Рис.1. Зависимости баллистического фототока МПФТ от магнитного поля В, измеренные в слоях толщиной с1= 8.5 мкм (кривые 1 и 2) и 3.5 мкм (кривая 3), а также при различных начальных энергиях электронов е=14 мэВ (кривая 1) и 32 мэВ (кривые 2 и 3). Энергии соответствуют электронам, рожденным вместе с тяжелыми дырками. Сплошные линии - теория, точки - эксперимент.

слоя. При фиксированной толщине вклад интерфейсного рассеяния увеличивается при увеличении начальной энергии электронов е, благодаря росту длины свободного пробега электронов. Для определения параметров рассеяния была построена количественная модель МПФТ. Вклад в ток от произвольной траектории был вычислен аналитически, а полный ток определялся численным интегрированием по всем траекториям. Показано, что теория хорошо описывает эксперимент.

Рис.2. Длина свободного пробега по импульсу и коэффициенты диффузности рассеяния на свободной границе ОяЛб ()\ и границе с подложкой как функции энергии электронов е.

Сравнение теоретических и экспериментальных зависимостей позволило определить параметры <2и £>2 и £р как функции энергии электронов (рис.2). Видно, что на границе раздела с подложкой рассеяние является существенно более диффузным, чем на поверхности, а коэффициент диффузности (¿г слабее зависит от энергии электронов.

В §§2.2 и 2.3 сообщается об экспериментальном обнаружении магнитоиндуцированных поляризационно-зависимых компонент фотопроводимости и фотоэдс, соответственно. Оба эффекта обусловлены оптическим выстраиванием и взаимодействием фотоэлектронов с

границами полупроводника. Благодаря рассеянию импульса и энергии на границах, поляризационно-зависимыми оказываются средняя подвижность и энергия ансамбля электронов. Как показано в теоретической работе [6], в тангенциальном магнитном поле доля баллистических траекторий фотоэлектронов, пересекающих переднюю границу, возрастает пропорционально модулю магнитного поля. В соответствии с теорией [6], в эксперименте наблюдалась "неаналитическая" зависимость величины эффектов от магнитного поля Joe | В |.

В третьей главе исследованы электронные свойства поверхности и внутренних границ раздела арсенид-галлиевых структур с модулированным легированием. В §3.1 методами Фурье-анализа и фазового подавления осцилляций Франца-Келдыша определены встроенные электрические поля и построены зонные диаграммы модельных арсенид-галлиевых 1Ж+-структур, состоящих из верхнего нелегированного слоя GaAs толщиной 100 нм, отделенного сильнолегированным буферным «+-GaAs слоем толщиной 1000 нм от /?+-GaAs подложки. Благодаря однородности электрического поля в нелегированном слое, спектры фотоотражения таких структур содержат большое количество осцилляций Франца-Келдыша, период которых определяется величиной встроенного поля. Спектр фотоотражения UN+ структуры, измеренный в фазе с лазерной накачкой (рис.За), содержит смесь осцилляций Франца-Келдыша, обусловленных полями на поверхности и на границе раздела буферного слоя с подложкой. Для разделения поверхностной и интерфейсной компонент мы использовали различие времен отклика встроенных электрических полей на излучение и соответствующее различие в фазовом сдвиге компонент сигнала фотоотражения относительно модулированной лазерной накачки. Настраивая синхронный детектор в противофазе с накачкой, когда "быстрая" поверхностная компонента подавлена, можно выделить в чистом виде осцилляции Франца-Келдыша от встроенного поля на границе буферного слоя с подложкой (рис.ЗЬ). Наоборот, фазовое подавление интерфейсной компоненты позволяет выделить осцилляции Франца-Келдыша от поверхностного поля (рис.Зс). По двум "опорным" спектрам ФО, измеренным при различных фазах, можно

Энергия фотонов (эВ) 1.4 1.5 1.6 1.7

верхнии , слой (Ф

буфер

о, ю о о

900

800

700 0

Длина волны (нм)

1/2

ц (10" см/В )

Рис.3. Разделение компонент в спектре фотоотражения Ц]чГ структуры методами Фурье-анализа и фазового подавления. Спектры фотоотражения (а-с) измерены при различных значениях фазы синхронного детектора: (а) 8=0° (в фазе с накачкой, смешанный спектр фотоотражения); (Ь) 9=90° (в противофазе с накачкой, выделен интерфейсный вклад); и (с) 8=45° (выделен поверхностный вклад). На рис. (й), (е) и (Г) показаны Фурье-образы спектров, представленных на рис. (а), (Ь) и (с), соответственно. Вычисленный спектр фотоотражения и его Фурье-образ показаны на рис. (с) и (1} штриховыми линиями.

рассчитать спектр, соответствующий любой другой фазе. Штриховой линией на рис.3с показан спектр ФО, рассчитанный по измеренным спектрам а,Ь. Видно хорошее согласие с экспериментом. На рис.ЗсЗ-Г показаны Фурье-образы спектров фотоотражения 1Ж+ структуры. Наряду с дублетом, соответствующим оптическим переходам из подзон тяжелых и легких дырок в поверхностном поле, в Фурье-образах вид-

на компонента, соответствующая полю в буферной области. Наблюдение встроенного электрического поля на изотипном переходе свидетельствует о наличии интерфейсных состояний на границе раздела между буфером и подложкой. Эти состояния закрепляют уровень Ферми в запрещенной зоне арсенида галлия. В работе обсуждена возможная микроскопическая природа интерфейсных состояний и построена зонная диаграмма 1Ж+-структуры.

Далее в третьей главе рассматриваются встроенные электрические поля и оптические переходы в арсенид-галлиевых структурах с одиночным дельта-легированным слоем (§3.2) и в дельта-легированных п-1-рч сверхрешетках (§3.3). С помощью предложенных методов фазового подавления и Фурье-анализа осцилляций Франца-Келдыша, определены электрические поля в различных областях дельта-легированных структур. Выявлена роль интерфейсных состояний на границе раздела буферных слоев с подложкой в формировании спектров ФО. Построены зонные диаграммы дельта-легированных структур, в том числе диэлектрических и полуметаллических п-1-р4 сверхрешеток. По спектрам фототока п-\-р~\ сверхрешеток с различным периодом определена форма длинноволнового крыла собственного поглощения а(/гсо) для электрических полей (1-10)х105 В/см, в диапазоне изменений коэффициента поглощения до четырех порядков. Получено хорошее согласие эксперимента с теорией эффекта Франца-Келдыша. Особое внимание уделено вопросу о возможности наблюдения оптических переходов с участием квантово-размерных состояний в потенциале дельта-слоев. Эволюция спектров ФО при последовательном утонении дельта-легированных структур, а также данные по фазовому разделению спектральных компонент различной природы свидетельствуют о том, что тонкая структура спектров ФО вблизи ширины запрещенной зоны обусловлена эффектом Франца-Келдыша во встроенных электрических полях в буферной области и на границе с подложкой, а не переходами с участием кванто-во-размерных уровней дельта-слоя, как считалось ранее. Особенности спектров фототока дельта-легированных п4-рн сверхрешеток, обнаруженные на фоне монотонного длинноволнового франц-

келдышевского крыла, имеет в основном примесную природу. Только в сверхрешетке с минимальным периодом часть слабых особенностей может быть обусловлена квантово-размерными оптическими переходами в потенциале сверхрешетки.

В четвертой главе методом спектроскопии фототока изучены транспорт электронов и шероховатости границ раздела в сверхрешетках А1А8ЛЗаА5, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитак-сии. В эксперименте использовались р-1-п структуры, нелегированные /-области которых содержали короткопериодные сверхрешетки (А1Аз)т/(СаА5)п (т=3-5, п=10-13). Известно, что электрическое поле Р вызывает распад минизоны сверхрешеток на серию эквидистантных уровней Ванье-Штарка с расстоянием между уровнями Ае=еГа, где е -заряд электрона, о - период сверхрешетки [7]. В спектрах фототока наблюдались пики, соответствующие прямым и непрямым в реальном пространстве оптическим переходам между уровнями Ванье-Шгарка, что свидетельствует о высоком качестве сверхрешеток (§4.1). Наряду с такими оптическими резонансными переходами, в зависимостях фототока от величины электрического поля обнаружены "транспортные" резонансы в виде пиков и узких минимумов, положение которых не зависит от энергии фотонов (§4.2). Показано, что пики фототока обусловлены туннелированием электронов из контактного слоя р-СаАэ на основной уровень размерного квантования в ваАБ ямах, отстоящих от контакта на 2-5 периодов сверхрешетки. Узкие минимумы фототока при больших полях предположительно связаны с рассеянием электронов на гетерогранице А1Аз/СаАз из состояний Г-долины в слое СаАэ в состояния Х-долины в слое А1Аз.

В §4.3 исследован характер шероховатостей гетерограниц в сверхрешетках А1Аз/ОаАз. Известно, что степень шероховатости гетерограниц в изолированных квантовых ямах может быть определена по ширине линий в спектрах люминесценции. Образование минизон уширяет оптические спектры сверхрешеток по сравнению с изолированными квантовыми ямами, поэтому для анализа совершенства границ мы использовали распад минизоны в электрическом поле на уровни Ванье-Штарка. В измеренных спектрах фототока ширина эк-

ситонных линий, связанных с уровнями Ванье-Штарка, была сравнима или меньше, чем расчетный сдвиг энергии перехода при увеличении толщины слоя СаЛэ на один монослой. В то же время, положение экситонных линий на различных участках ростовой шайбы соответствовало дробному числу монослоев в слоях ОаЛБ. Это означает, что даже в лучших из исследованных сверхрешеток границы ОаЛ.ч/АЮаЛя являются не идеально гладкими, а псевдогладкими, т.е. содержат микрошероховатости высотой, предположительно, в один монослой и характерным латеральным размером меньше радиуса эк-ситона (—10 нм).

Пятая глава посвящена исследованию электронных свойств поверхности ваАэ с адсорбированными слоями цезия и кислорода. Ранее считалось, что независимо от химической природы адсорбатов, уровень Ферми на поверхности СзАб закрепляется в запрещенной зоне состояниями универсальных собственных дефектов [3]. Позднее, при адсорбции Сб и О на поверхности ОаАз(110) при низкой температуре наблюдалось незакрепленное поведение уровня Ферми, обусловленное влиянием поверхностных состояний, индуцированных адато-мами [8]. Авторам [8] удалось примирить этот результат с моделью [3], поскольку при низкой температуре дефектообразование подавлено. Результаты, изложенные в пятой главе, показывают, что и при комнатной температуре электронные свойства границы раздела р-0аАя(Сз,0) определяются состояниями, индуцированными адатома-мн, а не собственными дефектами.

Чистая поверхность ОаАэ приготавливалась по методике, описанной в [9]. Эта методика включает удаление оксидов в растворе НС1 в изопропиловом спирте, перенос в сверхвысоковакуумную установку в атмосфере сухого азота и последующий прогрев в вакууме при сравнительно низких температурах 400-550°С, В §5.1 сообщается об обнаружении обратимых изменений электронных свойств поверхности эпитаксиального р-СаАэ при поочередном нанесении цезия и кислорода при комнатной температуре. На рис.4а показана эволюция изгиба зон ф5 при нанесении Сэ и 02 на поверхность однородно-легированного эпитаксиального /з-СаА5(001), выращенного методом

0.6 0.4 0.2 0

ю-3 10"4

ю"5 0.8

0.7

0.6

-1-\-1-1-г

С 9 о. а а

° А А А Л

' |1 /> /I ' » , I Г I / I /

Сэ ?

а г. о Се

Л о

-ЧИ

I/ \» »' \/ \ ; \ /\ Д V и М \ \/ \

4 У 1 * ' х л »

О. ооооооо

—1—02-02_02- 02-02_02_ О 2 -

а а а

Гч л ? ° ■

„А V/ VI »/ »; \ / \ /\ д

§ 5 V V V V V ^ ч

£ а а а °

Н |

-О I

-7Я—и

_1_1_

л, А л £ ^ , I Л Д ,

^ /» А л ' I / V ' \ ' *

л. /\ ;\ /\ I \ / \ I V \ /

\/\/ V V' 11 * * л

у_I_I_и

_|_

О I 1

(МЬ) Номер цикла нанесения цезия и кислорода

Рис.4. Эволюция изгиба зон ср3 (кружки), амплитуды сигнала фотоотражения (Ш)0 (квадраты) и интенсивности фотолюминесценции (треугольники) при многократном поочередном нанесении цезия и кислорода на поверхность однородно легированного р-СаАБ(100). Нанесение первого монослоя цезия показано подробно. Толщина це-зиевого покрытия в каждом цикле соответствует одному монослою, экспозиция кислорода в первом цикле составляет 20 Ь, во втором - 4 Ь, во всех последующих циклах -2Ь.

жидкофазной эпитаксии. Быстрый рост ф5 при нанесении цезия на чистую поверхность обусловлен увеличением положительного заряда поверхности благодаря передаче электронов с цезий-индуцированных доиорных поверхностных состояний в объем полупроводника. При дальнейшем увеличении цезиевого покрытия б изгиб зон проходит через максимум. Такое поведение связано с закреплением уровня Ферми на донориых ПС и эволюцией энергетического спектра этих состояний. Полученный результат согласуется с теорией [10], а также с результатами работы [И] по исследованию спектра ПС на границе раздела С5/СаЛз(001) с помощью метода спектроскопии поверхностной фотоэдс.

Из рис.4а видно, что адсорбция кислорода приводит к уменьшению ф5. Дальнейшая поочередная адсорбция С б и О приводит к обратимым переключениям изгиба зон между ф5«0.65 эВ (при адсорбции цезия) и ф.,~0.1 эВ (при адсорбции кислорода). Качественно аналогичное поведение наблюдалось и на других ориентация* (110) и (111) для атомарно-чистых поверхностей, приготовленных различными способами, а также на структурах, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Наличие обратимых переключений изгиба зон на эпитаксиальных слоях было независимо подтверждено методом фотоэлектронной спектроскопии (с использованием рентгеновского и син-хротрониого излучения) по сдвигу линии СаЗ(1 при нанесении цезия и кислорода на поверхность эпитаксиальных слоев ОаЛБ(001) и на скол монокристаллов р-ОаА5(1Ю). Полученные экспериментальные данные не могут быть объяснены в модели состояний, индуцированных дефектами [3], и свидетельствуют о преобладающей роли адатом-индуцированных состояний для системы (С5,0)СаЛз в широком диапазоне экспериментальных условий. Более того, уменьшение ф5 практически до плоских зон свидетельствует об уменьшении концентрации исходных поверхностных состояний при поочередной адсорбции цезия и кислорода.

Из рис.4Ь,с видно, что при нанесении Ся и Ог вместе с изгибом зон обратимо изменяются амплитуда сигнала фотоотражения (Л&7?)0, которая пропорциональна поверхностной фотоэдс, и интенсивность

краевой фотолюминесценции, зависящая от скорости поверхностной рекомбинации. При первом нанесении С б и 02 в зависимостях (АЯ/К)0 и /РЬ от ф5 проявляется гистерезис, свидетельствующий о том, что изменения поверхностной фотоэдс и скорости поверхностной рекомбинации обусловлены не только зависимостью этих величии от изгиба зон, но также изменениями концентраций и сечений центров захвата и рекомбинации неравновесных электронов и дырок.

В §5.2 методом фотоэлектронной спектроскопии детально изучено взаимодействие адатомов цезия с поверхностью скола (110)СаАз. В спектрах фотоионизации уровня ОаЗс! обнаружена компонента, обусловленная передачей электронов цезия на незаполненные поверхностные орбитали галлия. Этот процесс приводит к образованию донорного поверхностного состояния в запрещенной зоне полупроводника. Изучена также эволюция спектра заполненных ПС ниже потолка валентной зоны. Сопоставление фотоэмиссионных результатов для поверхностей Сэ/(1 Ю^аАв и Ма/(110)СаАз показывает, что в отличие от границы раздела с натрием, где определяющим является электрон-фононное взаимодействие, приводящее к образованию би-поляронов, на границе Сз/(1 10)ОаЛБ доминирует, по-видимому, электрон-электронное взаимодействие и эта граница более адекватно описывается в модели Мотта-Хаббарда [12]. В §5.3 по спектрам анизотропного отражения изучена диффузия и упорядочение цезия на поверхности СаАз(001). Спектры анизотропного отражения СаАз(()01) содержат пики, соответствующие оптическим переходам с участием электронных состояний галлиевых. и мышьяковых димеров [13]. Упорядочение границы раздела Сз/СаА5(001) проявляется в виде сужения линии галлиевых димеров при отжиге (вплоть -до Т=360 К) слоя цезия, нанесенного при низкой температуре Т=90 К. Определена энергия активации диффузии адатомов цезия по поверхности ОаАз(001) Ей~ 0.7 эВ.

Шестая глава посвящена исследованию свойств и совершенствованию параметров фотокатодов на основе эпитаксиальных слоев СаАэ и широкозонных твердых растворов ГпОаАэР/ОаАз, активированных цезием и кислородом до состояния с отрицательным элек-

тронным сродством. Несмотря на то, что полупроводниковые фотокатоды давно используются в качестве источников электронов, многие физические вопросы, лежащие в основе фотоэмиссии из полупроводников с отрицательным электронным сродством, оставались невыясненными. На основе представлений, развитых в [3], считалось, что уровень Ферми закрепляется состояниями универсальных собственных дефектов поверхности уже при нанесении долей монослоя Сб на чистую поверхность, и при дальнейшем активировании изгиб зон остается неизменным (р^0.5 эВ. В §6.1 экспериментально изучена эволюция электронных свойств границы раздела СаА$(Сз,0) в процессе достижения состояния с отрицательным электронным сродством. Для повышения точности определения поверхностного поля методом фотоотражения эксперимент проводился на ЦР+ структурах. Обнаружены значительные немонотонные изменения изгиба зон и поверхностной фотоэдс при активировании поверхности СаАэ до состояния с ОЭС. На оптимально активированной поверхности изгиб зон оказался равным ф5~0.3-0.4 эВ.

Далее в §§6.2 и 6.3 изучены свойства фотокатодов на основе широкозонных твердых растворов 1пСаР и ГпСаАБ?, выращенных на ваАв подложках. В полупроводниках с большей шириной запрещенной зоны можно достичь большей величины ОЭС. Поэтому фотокатоды на основе широкозонных твердых растворов должны обладать большей квантовой эффективностью и лучшей стабильностью фотоэмиссии по сравнению с ваАэ фотокатодами. Выбором состава твердого раствора можно подогнать ширину запрещенной зоны под длину волны неперестраиваемого лазера, снизив таким образом стоимость источника электронов. Вариации состава твердых растворов позволяют выращивать механически напряженные слои на высококачественных подложках бинарных соединений. Расщепление валентной зоны, индуцированное механическим напряжением, позволяет увеличить степень спиновой поляризации электронов выше предела Р-50%, характерного для ненапряженных полупроводников с вырожденной валентной зоной [14]. В §6.2 экспериментально показано, что широкозонные 1пОаР и 1пОаА5Р фотокатоды более стабильны по

сравнению с арсенид-галлиевыми фотокатодами. При больших плотностях мощности освещения (~3 Вт/см2) и токах эмиссии (-0.1-10 мА) доминирующим механизмом деградации является отравление активирующего покрытия потоком ионов и атомов, десорбирующихся с коллектора в результате его бомбардировки электронами. Дополнительная очистка коллектора и держателя фотокатода позволили увеличить время жизни фотокатодов с нескольких десятков минут до сотен часов при токе ~1 мА. При начальном токе 0.4 мА, за двести часов непрерывной работы в режиме с периодическим цезированием поверхности квантовый выход ГпСаАзР фотокатода уменьшился только на 10%, а расчетное (экстраполированное) время жизни составило в этом эксперименте более 1500 часов.

В §6.3 исследованы свойства упруго-напряженных псевдоморф-ных эпитаксиальных слоев 1пОаР и ¡ЕпОаАзР, выращенных на несогласованных по параметру решетки подложках СзАэ, с целью создания фотокатодов для эффективных источников спин-поляризованных электронов. Измерены сдвиг и расщепление валентной зоны в псев-доморфных слоях 1пОаРЛЗаА5(111)В и 1пОаА5Р/СаАз(111 )В. Расщепление валентной зоны регистрировалось по расщеплению порога межзонных оптических переходов в спектрах фототока на границе полупроводник-электролит. Обнаружена нелинейность зависимости расщепления от величины упругой деформации. Эта нелинейность обусловлена взаимодействием между валентной подзоной с полным моментом 1=3/2 и проекцией ш,=1/2 со спин-отщепленной подзоной 1=1/2, ш;=1/2 и хорошо описывается теорией Вира и Пикуса [15]. Впервые определены значения константы сдвигового деформационного потенциала для твердых растворов 1пОаР и ¡пваАзР. Измерены спектры квантового выхода и спиновой поляризации электронов, эмитированных из псевдоморфных упруго напряженных эпитаксиальных слоев 1пСаРЛлаАз(111)В и 1пОаА$РЛЗаАБ(111)В. Получена степень спиновой поляризации Р-66%, что превышает предел, характерный для ненапряженных фотокатодов. Несмотря на то, что значения спиновой поляризации меньше сообщавшихся ранее для напряженных СаАэ фотокатодов [14], благодаря большому квантовому вы-

ходу фотоэмиссии У, фотокатоды на основе широкозонных слоев 1пОаЛяР обладали рекордным параметром качества - произведения квантового выхода на квадрат спиновой поляризации Р2^ В §6.4 предложена новая конструкция фотокатода для эффективных источников спин-поляризованных электронов, основанная на композиционной полупроводниковой сверхрешетке с переменной толщиной барьеров. Повышение степени спиновой поляризации в сверхрешетке происходит из-за расщепления вырожденной валентной зоны благодаря размерному квантованию энергетического спектра тяжелых и легких дырок в потенциале сверхрешетки [16]. В то же время, потенциал сверхрешетки затрудняет транспорт фотоэлектронов по минизо-не и тем самым снижает квантовый выход фотоэмиссии. Предложенная конструкция с переменной толщиной барьеров подавляет брэг-говское отражение электронов от края сверхрешетки и, таким образом, повышает квантовый выход.

Основные результаты и выводы диссертационной работы состоят в следующем:

1. Развита методика спектроскопии поляризационно-зависимых баллистических фототоков, позволяющая исследовать процессы рассеяния электронов на поверхности и на границе полупроводникового слоя с подложкой. Предложены и реализованы методы Фурье-анализа и фазового подавления спектров фотоотражения, позволяющие раздельно определять встроенные электрические поля на поверхности и на внутренних границах раздела тонкослойных полупроводниковых структур.

2. Обнаружен и исследован новый баллистический фотоэффект -магнитоиндуцированный поверхностный фототок, обусловленный циклотронным поворотом оптически выстроенных фотоэлектронов в тангенциальном магнитном поле и релаксацией импульса на границах слоя. Обнаружены баллистические компоненты поверхностной фото-эдс и фотопроводимости в ваАз, индуцированные магнитным полем. Сравнение экспериментов с выполненными расчетами позволило определить энергетические зависимости длины свободного пробега и коэффициентов диффузности рассеяния электронов на поверхности и

границе раздела элитакеиального слоя с подложкой. Экспериментально показано, что при низких температурах фотоэлектроны пересекают сравнительно толстые (-10 мкм) эпитаксиальные слои ОаАз в баллистическом режиме, рассеиваясь на границе с подложкой.

3. Исследованы электронные свойства структур с одиночными дельта-слоями и дельта-легированных п-1-рч сверхрешеток. По периоду осцилляций Франца-Келдыша в спектрах фотоотражения и по форме длинноволнового крыла поглощения определены встроенные электрические поля на поверхности, в объеме структур и на границе раздела буферного слоя с подложкой. Построены энергетические зонные диаграммы структур. Показано, что тонкая структура спектров фотоотражения, наблюдающаяся вблизи порога межзонных переходов, обусловлена встроенными электрическими полями в буферной области и на границе с полуизолирующей подложкой, а не размерным квантованием энергий электронов в потенциале дельта-слоев. Установлено, что на границе раздела с подложкой может происходить закрепление уровня Ферми состояниями дефектов, возникающих на начальных стадиях молекулярно-лучевой эпитаксии.

4. Изучены оптические переходы на уровни Ванье-Штарка и транспорт электронов в короткопериодных сверхрешетках А1Аз/СаАз. В зависимостях фототока от величины электрического поля обнаружены резонансы, обусловленные туннелированием фотоэлектронов из контактной области на уровни размерного квантования в ОаАэ ямах. Явление локализации Ванье-Штарка использовано для выяснения характера шероховатостей гетерограниц в сверхрешетках. Показано, что даже в лучших из исследованных структур, наряду с монотонным изменением толщины слоев по площади, присутствуют шероховатости гетерограниц высотой в один монослой и характерным латеральным размером, не превышающим 10 нм.

5. Экспериментально исследовано влияние адсорбции цезия и кислорода на электронные свойства поверхности арсенида галлия. Обнаружены многократные обратимые изменения изгиба зон, фотоэдс и скорости рекомбинации электронов на поверхности р-ваАБ при поочередной адсорбции цезия и кислорода при комнатной температуре. Показано, что обратимые изменения наблюдаются при различных

способах приготовления атомарно чистой поверхности, на эпитакси-альных слоях, выращенных различными методами, а также на поверхности скола СаЛ5(110). Установлено, что в процессе активирования поверхности /7-ОаЛз цезием и кислородом до состояния с отрицательным электронным сродством происходят существенные немонотонные изменения изгиба зон (примерно вдвое) и фотоэдс (на два порядка). Полученные результаты свидетельствуют о том, что на границе раздела р-СаЛз(Сз,0) доминирующую роль играют поверхностные состояния, индуцированные адатомами, а не собственными дефектами поверхности, как считалось ранее.

6. В спектрах анизотропного отражения света от границы раздела Св/СаАз(001) обнаружен эффект сужения линии, связанной с оптическими переходами в галлиевых димерах, при отжиге слоя цезия, нанесенного на поверхность СаАк(001) при низкой температуре Т=90 К. Этот эффект свидетельствует о диффузии и упорядочении адатомов цезия. Определена энергия активации диффузии адатомов цезия на поверхности СаАз(001) £¿-0.7 эВ.

7. Показано, что фотокатоды с отрицательным электронным сродством на основе широкозонных твердых растворов 1пОаР и ¡пСаАвР обладают большим квантовым выходом и лучшей стабильностью по сравнению с арсенид-галлиевыми фотокатодами. Исследованы свойства упруго-напряженных псевдоморфных эпитаксиальных слоев 1пСаР и 1пОаА5Р/СаА5(111). В измеренных зависимостях сдвига и расщепления валентной зоны от величины деформации обнаружены нелинейные поправки, обусловленные эффектами взаимодействия зон. На основе напряженных слоев 1пОаР и 1пСаАзР созданы фотокатоды с рекордным параметром качества - произведения квантового выхода на квадрат спиновой поляризации.

Совокупность полученных результатов и разработанных положений можно характеризовать как новое существенное достижение в развитии важного направления физики полупроводников - спектроскопических исследований энергетического спектра и процессов рассеяния электронов на поверхности и внутренних границах раздела полупроводниковых структур.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Альперович B.JL, Минаев А.О., Мощенко С.П., Терехов A.C. Электрооптический модулятор с большой апертурой для поляризационной модуляционной спектроскопии. - Оптика и спектроскопия,

1988, т.65, в.6, с. 1352-1356.

2. Альперович B.JL, Минаев А.О., Мощенко С.П., Терехов A.C. Установка для поляризационной модуляционной спектроскопии полупроводников. - Приборы и техника эксперимента, 1988, №4, с. 172174.

3. Alperovich V.L., Jaroshevich A.S., Lubyshev D.I., MigalV.P., Semyagin B.R. GaAs MBE-grown delta-n-i-p-i superlattices: observation of quantum-confined optical transitions in photocurrent spectra. - Crystal Properties and Preparation, 1989, v.19&20, p.129-135.

4. Альперович B.JL, Минаев A.O., Терехов A.C. Магнитоиндуциро-ванная поляризационно-зависимая баллистическая фотоэдс в структуре полупроводник-металл. - Письма в ЖЭТФ, 1989, т.49, в.1, с. 1921.

5. Альперович B.JL, Минаев А.О., Терехов A.C. Баллистический перенос электронов через эпитаксиалыше слои GaAs в эффекте магни-тоиндуцированного поверхностного фототока. - Письма в ЖЭТФ,

1989, т.49, в.11, с.610-612.

6. Alperovich V.L., Minaev А.О., Terekhov A.S. Ballistic photocurrents in GaAs layers: momentum relaxation on the surface and interface. - Proc. 20th Intern. Conf. on Physics of Semiconductors, Thessaloniki, Greece, August 6-10, 1990, p.2487-2490.

7. Альперович B.JL, Минаев A.O., Терехов A.C. Рассеяние баллистических электронов на границах эпитаксиального GaAs. -Тез. докл. Всес. сем. "Горячие электроны в полупроводниковых структурах с пониженной размерностью", Звенигород, 1990, стр.35.

8. Альперович B.JI., Минаев А.О., Рудая Н.С., Терехов A.C. Релаксация импульса фотоэлектронов на поверхности GaAs в эффекте маг-

нитоиндуцированной поляризационно-зависимой фотопроводимости. - ФТТ, 1990, т.32, в.7, с.2152-2154.

9. Альперович B.JI., Минаев А.О., Терехов А.С. Баллистические электроны в слоях GaAs: релаксация импульса и энергии на поверхности и границах раздела. - Тез. докл. 12-ой Всес. конф. по физике полупроводников, Киев, 1990, т.1, стр.22.

Ю.Альперович В.Л., Лубышев Д.И., Мигаль В.П., Семягин Б.Р., Яро-шевич А.С. Спектры фототока дельта-легированных GaAs сверхрешеток n-i-p-i. - ФТП, 1990, т.24, в.З, с.451-455.

11.Alperovich V.L., MinaevA.O., TerekhovA.S. Ballistic electron spectroscopy in GaAs: momentum and energy relaxation on the surface and interfaces. - Abstracts of the Ballistic Electron Emission Microscopy Workshop, Pasadena, USA, 1991, p.3 5.

12.Alperovich V.L., Jaroshevich A.S., Lubyshev D.I., Migal V.P., Preobrazhenskii V.V., Semyagin B.R. Photocurrent and photoreflectance spectra of GaAs sawtooth doping superlattices. - Superlattices and Microstructures, 1991, v. 10, № 131, p. 131 -134.

13.Alperovich V.L., Jaroshevich A.S., Lubyshev D.I., Migal V.P. Tunnel ing-assisted optical transitions in GaAs delta-doped superlattices. -PhysicaB, 1991, v.175, p.153-157.

14.Alperovich V.L., HaislerV.A., Jaroshevich A.S., Moshegov N.T., Terekhov A.S., Toropov A.I., Tkachenko V.A. Electron and hole tunneling resonances of Wannier-Stark states in GaAs/AlAs superlattices. - Surface Science 1992, v.267, p.541-544.

15.Альперович B.JL, ПаулишА.Г., Терехов A.C., Ярошевич А.С. Отсутствие закрепления уровня Ферми на поверхности p-GaAs(100) при адсорбции цезия и кислорода. - Письма в ЖЭТФ, 1992, т.55, в.5, с.289-292.

16. Альперович В. Л., Болховитянов Ю.Б., ПаулишА.Г., Терехов А.С. Использование эпитаксиальных слоев InGaAsP для фотоэмиссионных источников электронов. - Письма в ЖТФ, 1992, т. 18, в.22, с.67-71.

17.Alperovich V.L., Bolkhovitaynov Yu.B., Jaroshevich A.S., Paulish A.G., TerekhovA.S. InGaAsP as a promising material for a polarized

electron source. - Proc. 10th Intern. Symp. on High Energy Spin Physics, Nagoya, Japan, November, 9-14, 1992, p.853-856.

18.Tkachencko V.A., Andreev V.E., Tkachenko O.A., Alperovich V.L., Terekhov A.S. Modelling of coherent electron transport in graded-barrier semiconductor superlattices for optimization of polarized electron sources. - Proc. 10th Intern. Symp. on High Energy Spin Physics, Nagoya, Japan, November, 9-14, 1992, p.857-860.

19.Alperovich V.L., Jaroshevich A.S., Scheibler H.E., Terekhov A.S. Elucidation of photoreflectance mechanisms by phase resolution spectroscopy: application to delta-doped GaAs. - Phys. Stat. Sol. (b),

1993, v.175, №1, p.K35-K38.

20.Alperovich V.L., Bolkhovitaynov Yu.B., Paulish A.G., Terekhov A.S. New material for photoemission electron source: semiconductor alloy InGaAsP grown on GaAs substrate. - Nuclear Instrum. and Methods A,

1994, v.340, p.429-435.

21.Alperovich V.L., Jaroshevich A.S., Scheibler H.E., Terekhov A.S. Determination of built-in electric fields in delta-doped GaAs structures by phase-sensitive photoreflectance. - Solid-State Electronics, 1994, v.37, №4-6, p.657-660.

22.Alperovich V.L., Jaroshevich A.S., Kuzaev V.N., Shevelov S.V., Paulish A.G., Terekhov A.S. Unpinned behavior of Fermi level, photovoltage, and recombination velocity on p-GaAs surface under Cs and 02 deposition. - Phys. Low-Dim. Struct., 1994, v.l, p.45-51.

23.Alperovich V.L., Paulish A.G., Terekhov A.S. Domination of adatom-induced over defect-induced surface states on p-type GaAs(Cs,0) at room temperature. - Phys. Rev. B, 1994, v.50, №8, p.5480-5483.

24.Alperovich V.L. Investigation of surface and interface electronic states in epitaxial semiconductor structures by newly developed photoreflectance spectroscopy. Abstracts of the US-European Workshop on Optical Characterization of Electronic Materials OCEM'94, Halle, Germany, October 5-7, 1994, p.3 (invited talk).

25.Bolkhovityanov Yu.B., Alperovich V.L., Jaroshevich A.S., Nomerotsky N.V., Paulish A.G., Terekhov A.S., Trukhanov E.M. Liquid phase

epitaxial growth of elastically strained layers for spin-polarized electron sources. - J. Crystal Growth, 1995, v.146, p.310-313.

26.Alperovich V.L., Paulish A.G., Scheibler H.E., TerekhovA.S. Evolution of electronic properties at p-GaAs(Cs,0) surface during negative electron affinity state formation. - Appl. Phys. Lett., 1995, v.66, №16, p.2122-2124.

27.Alperovich V.L., Paulish A.G., TerekhovA.S. Unpinned behavior of electronic properties of p-GaAs(Cs,0) surface at room temperature. -Surf. Sei., 1995, v.331-333, p.1250-1255.

28.Альперович В.Л., Кузаев B.H., Терехов A.C., Шевелев C.B. Исследование обратимых изменений изгиба зон на поверхности р-GaAs(Cs,0) при комнатной температуре методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. - ФТТ, 1995, т.37, в.2, с.344-350.

29.Scheibler Н.Е., Alperovich V.L., Jaroshevich A.S., TerekhovA.S. Fourier resolution of surface and interface contributions to photoreflectance spectra of multilayered structures. - Phys. Stat. Sol. (a),

1995, v.152, №1, p.l 13-122.

30.Drescher P., Pluetzer S., Reichert E., SchemiesM., Alperovich V.L., Bolkhovityanov Yu.B., Jaroshevich A.S., Paulish A.G., Scheibler H.E., Terekhov A.S. Emission of spin-polarized electrons from strained InGaP and InGaAsP photocathodes. - Nuclear Instrum. and Methods A, 1996, v.381, p.169-173.

31.Alperovich V.L., Ding S.A., Barman S.R., Neuhold G., ChasseTh., Horn K. Evidence of Mott-Hubbard and bipolaronic behavior in photoemission spectra of alkali metal/GaAs(l 10) interfaces. - Proc. 23rd Intern. Conf. on Physics of Semiconductors (ICPS-23), Berlin, Germany, 21-26 July 1996, p.923-926.

32.Bolkhovityanov Yu.B., Alperovich V.L., Jaroshevich A.S., RevenkoM.A., Scheibler H.E., TerekhovA.S., Trukhanov E.M. InGaAsP/GaAs elastically strained films grown by liquid phase epitaxy. - Inst. Phys. Conf. Ser. 1997, №155, Chapter 3. Proc. 23rd Intern. Symp. on Compound Semiconductors, St Petersburg, Russia, 23-27 September

1996, p.263-266.

33.Alperovich V.L., Kirillov M.A., Orlov D.A., PaulishA.G., Savchenko I.V., Scheibler H.E., TerekhovA.S. Evolution of surface electronic properties of GaAs photocathodes during degradation. - Proc. 12th Intern. Symp. on High-Energy Spin Physics (SPIN96), Amsterdam, September 10-14, 1996, p.750-752.

34.Aiperovich V.L., Bolkhovityanov Yu.B., Jaroshevich A.S., Katkov

A.V., Revenko M.A., Scheibler H.E., Terekhov A.S. Shifts and splitting of energy bands in elastically strained InGaP/GaAs(l 11)B epitaxial films. - J. Appl. Phys., 1997, v.82, p.1214-1219.

35.Альперович B.JI., МошеговН.Т., Попов B.B., Терехов A.C., Тка-ченко В.А., Торопов А.И., Ярошевич A.C. Определение шероховатостей гетерограниц по спектрам фототока короткопериодных сверхрешеток AlAs/GaAs. - ФТТ, 1997, т.39, в.11, с.2085-2089.

36.Alperovich V.L., Paget D. Diffusion and ordering of Cs adatoms on GaAs(OOl) studied by reflectance anisotropy spectroscopy. - Phys. Rev.

B, 1997, v.56, №24, p.R15565-R15568.

Цитированная литература,

[1] Bechstedt F., SchefflerM. Alkali adsorption on GaAs(llO): atomic structure, electronic states and surface dipoles. - Surf. Sei. Rep., 1993, v. 18, p.145-198.

[2] Mönch W. Semiconductor surfaces and interfaces, Springer-Verlag, Berlin, 1993.

[3] SpicerW.E., ChyeP.W., SkeathP.R., Su C.Y., and Lindau I.. New and unified model Schottky barrier and III-V insulator interface states formation. - J. Vac. Sei. Technol., 1979, v.16, №5, p. 1422-1432.

[4] Альперович B.JI., Белиничер В.И., Новиков B.H., Терехов A.C. Поверхностный фотогальванический эффект в арсениде галлия. - Письма в ЖЭТФ, 1980, т.31, в. 10, с.581-584; Альперович В.Л., Белиничер В.И., Гусев Г.М., Новиков В.Н., Терехов A.C. Длина свободного пробега и диффузность рассеяния электронов в арсениде галлия. - Письма в ЖЭТФ, 1981, т.34, в.8, с.437-440.

[5] Захарченя Б.П., Мирлин Д.Н., Перель В.И., Решила И.И. Спектр и поляризация фотолюминесценции горячих электронов в полупроводниках. - УФН, 1982, т. 136, в. 1, с.459-499.

[6] Ефанов А.В., Энтин М.В. Поведение ЭДС Дембера на горячих электронах в слабом магнитном поле. - ФТП, 1988, т.22, в.З, с.386-389.

[7] Mendez Е.Е., Agullo-Rueda F., and Hong J.M. Stark localization in GaAs-GaAlAs superlattices under an electric field. - Phys. Rev. Lett., 1988, v.60, №23, p.2426-2429.

[8] Laubschat C., Prietsch M., Domke M., Weschke E., Remmers E., Mandel Т., Ortega E., Kaindl G. Switching of band bending at the nonreactive CsO/GaAs(l 10) interface. - Phys. Rev. Lett., 1989, v.62, №11, p.1306-1309.

[9] Галицын Ю.Г., Пошевнев В.И., Мансуров В.Г., Терехов А.С., Окоро-кова Л.Г. Остаточные углеродные загрязнения на поверхности GaAs, обработанной в спиртовых растворах НС]. - Поверхность, 1989, №4, с.147-150.

[10] KJepeis J.E., Harrison W.A. Coverage dependence of Schottky barrier formation. - J. Vac. Sci. Technol. В., 1989, v.7, №4, p.964-970.

[11 ] Мусатов А.Л., Смирнов С.Ю. Спектры поверхностной фотоэдс и поверхностные состояния GaAs(lOO) с субмоноатомными слоями цезия. -ФТТ, 1994, т.36, №1, с.9-19.

[12] Pankratov О. and SchefflerM. Surface polarons and bipolarons at GaAs(llO) with adsorbed alkali metals. - Surf. Sci., 1994, v.307-309, p.1001-1006.

[13] Berkovits V.L., Paget D. Optical study of surface dimers on sulfur-passivated (OOl)GaAs - Appl. Phys. Lett., 1992, v.61, №5, p.1835-1839.

[14] Nakanishi T. et al. Large enhancement of spin polarization observed by photoelectrons from a strained GaAs layer. - Phys. Lett. A, 1991, v.158, p.345-349.

[15] Бир Г.Л., ПикусГ.Е. Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках. - М.: Наука, 1972. - 584 с.

[16] OmoriT. et al. Large enhancement of polarization observed by extracted electrons from the AlGaAs-GaAs superlattice. - Phys. Rev. Lett., 1991 v.67, №23, p.3294-3297.

Подписано в печать 20.10.98. Формат 60x84/16. Заказ № 140. Бумага офсетная.

Печ.л. 2 Тираж 100.

Отпечатано на полиграфическом участке издательского отдела Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН 630090, Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 5

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, доктора физико-математических наук, Альперович, Виталий Львович, Новосибирск

/ ? / и ч-

-р! V - ; ^ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

/ СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

-// _ @ У 9У - На правах рукописи

Альперович Виталий Львович

Специальность 01.04.10 (Физика полупроводников и диэлектриков)

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Новосибирск - 1998

Список сокращений и обозначений

АО анизотропное отражение

МЛЭ молекулярно-лучевая эпитаксия

МПФП магнитоиндуцированная поляризационно-зависимая фотопроводимость

МПФТ магнитоиндуцированный поляризационно-зависимый фототок

МПФЭ магнитоиндуцированная поляризационно-зависимая фотоэдс

ОФК осцилляции Франца-Келдыша

ОЭС отрицательное электронное сродство

ПМИ паразитная модуляция интенсивности

ПС поверхностное состояние

СР сверхрешетка

ФО фотоотражение

ЭОМ электро-оптический модулятор

е вектор поляризации света

В вектор магнитного поля

5Ё8 деформационное расщепление валентной зоны

А- длина волны света

со частота света

О удельное оптическое вращение; фаза синхронного детектора

е кинетическая энергия электронов

е0 деформация эпитаксиального слоя

До спин-орбитальное расщепление

Фв поверхностный изгиб зон

а, с1 константы деформационного потенциала

«0 постоянная решетки

В магнитное поле

су константы жесткости полупроводника

толщина слоя

Eg ширина запрещенной зоны

Р электрическое поле

J ток

Ьр длина свободного пробега электронов по импульсу

Р степень спиновой поляризации электронов

коэффициент диффузности рассеяния электронов на границе Я коэффициент отражения света

>"41 электрооптическая константа

£ скорость поверхностной рекомбинации

и электрическое напряжение

У квантовый выход фотоэмиссии

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................6

Глава 1. ОПТИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЕ

ПОВЕРХНОСТИ И ГРАНИЦ РАЗДЕЛА ПОЛУПЮВОДНИКОВБ1Х СТРУКТУР.................................14

§1.1. Фотоэлектрическая спектроскопия полупроводниковых структур.........................15

§ 1.2. Спектроскопия фотоотражения...................................................................................29

§1.3. Спектроскопия анизотропного отражения.......................... .......................................46

§1.4. Фотоэлектронная спектроскопия................................ ................................................49

Основные результаты и выводы главы 1.............................................................................52

Глава2. РАССЕЯНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ НА ГРАНИЦАХ РАЗДЕЛА В

ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЯХ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ............................................................54

§2.1. Релаксация импульса электронов на поверхности и границе с подложкой в

эффекте магнитоиндуцированного баллистического фототока...............................56

§2.2. Магнитоиндуцированная баллистическая фотопроводимость................................70

§2.3. Магнитоиндуцированная баллистическая фотоэдс на границе раздела

металл-полупроводник.................................................................................................74

Основные результаты и выводы главы 2.............................................................................ВО

Глава 3. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ И ГРАНИЦ РАЗДЕЛА

АРСЕНИД-ГАЛЛИЕВЫХ СТРУКТУР С МОДУЛИРОВАННЫМ ЛЕГИРОВАНИЕМ.........82

§3.1. Встроенные электрические поля и зонная диаграмма модельных 1Ж+-

структур.........................................................................................................................83

§3.2. Структуры с одиночными дельта-легированными слоями.......................................90

§3.3. Дельта-легированные сверхрешетки.............................. ............................................106

Основные результаты и выводы главы 3...........................................................................127

Глава 4. ТРАНСПОРТ ЭЛЕКТРОНОВ И ШЕРОХОВАТОСТИ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА В

КОРОТКОПЕРИОДНЫХ СВЕРХРЕШЕТКАХ АЬ^/СаЛв......................................................129

§4.1. Оптические переходы на уровни Ванье-Штарка в спектрах фототока

сверхрешеток А^ЛлаАз...........................................................................................130

§4.2. Резонансное туннелирование электронов в сверхрешетках А^/ваЛв...............137

§4.3. Определение шероховатостей гетерограниц по спектрам фототока

сверхрешеток АЬ^АЗаАз...........................................................................................147

Основные результаты и выводы главы 4...........................................................................154

Глава 5. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ АРСЕНИДА ГАЛЛШ С

АДСОРБИРОВАННЫМИ СЛСЯ МИ ЦЕЗШ И КИСЛОРОДА............................................156

§5.1. Адатом-индуцированные состояния на границе раздела GaAs(Cs,0)...................157

§5.2. Проявление электрон-электронного и электрон-фононного взаимодействий

на границах раздела Cs/(110)GaAs и Na/(110)GaAs в спектрах фотоэмиссии......194

§5.3. Диффузия и упорядочение цезия на поверхности GaAs(OOl)................................202

Основные результаты и выводы главы 5...........................................................................213

Глава 6. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ФОТОКАТОДОВ НА ОСНОВЕ GaAs(Cs,0)

И InGaAsP(Cs,0)............................................................................................................................215

§6.1. Эволюция электронных свойств границы раздела p-GaAs(Cs,0) в процессе

формирования состояния с отрицательным электронным сродством..................216

§6.2. Фотоэмиссионные свойства фотокатодов на основе широкозонных твердых

растворов InGaAsP......................................................................................................222

§6.3. Фотокатоды на основе напряженных псевдоморфных слоев InGaAsP для

источников спин-поляризованных электронов.......................................................229

§6.4. О возможности создания эффективных источников спин-поляризованных электронов на основе полупроводниковых сверхрешеток с переменной

толщиной барьеров.....................................................................................................251

Основные результаты и выводы главы 6...........................................................................256

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................................257

ЛИТЕРАТУРА...............................................................................................................................263

ВВЕДЕНИЕ

В современной физике полупроводников тонкослойные эпитаксиальные структуры, в том числе дельта-легированные слои, сверхрешетки и упруго-напряженные псевдоморфные слои на несогласованных подложках, являются важным объектом научных исследований и базой для создания новых приборов [1]. Электронные свойства таких структур в значительной мере определяются поверхностью и границами раздела между слоями. Исследование электронных свойств полупроводниковых границ включает, с одной стороны, выяснение природы и энергетического спектра локализованных поверхностных и интерфейсных электронных состояний, и с другой стороны, решение задачи о рассеянии электронов на границах. Поверхностные и интерфейсные электронные состояния определяют заряд на границах и величину встроенных электрических полей. Встроенные поля можно экспериментально определять по периоду осцилляций Франца-Келдыша, которые наблюдаются в электрооптических спектрах. Наиболее эффективным бесконтактным электрооптическим методом является спектроскопия фотоотражения. Актуальная задача метода фотоотражения состоит в разделении спектральных вкладов от поверхности и внутренних границ раздела тонкослойных эпитаксиальных структур. Решение этой задачи позволит получать информацию о локализованных электронных состояниях на границах раздела и восстанавливать энергетические зонные диаграммы эпитаксиальных структур.

Несмотря на интенсивные теоретические и экспериментальные исследования, вопрос о природе поверхностных состояний (ПС) в ОаАэ и других соединениях А3В5 до сих пор остается предметом дискуссий. Согласно теории, свойства ПС должны существенно зависеть от химической природы адсорбата, степени покрытия и атомной структуры границы раздела [2,3]. Вместе с тем, в литературе долгое время доминировала модель универсальных поверхностных состояний, обусловленных собственными дефектами поверхности [4]. Согласно [4], собственные дефекты возникают за счет энергии, выделяемой при адсорбции, независимо от химической природы адсорбата. Эта модель позволяла объяснить наблюдавшееся во многих случаях закрепление уровня Ферми на поверхности полупроводников вблизи

середины запрещенной зоны. Вопрос о природе электронных состояний на границе

3 5

полупроводников А В с адсорбатами для ряда систем представляет не только академический, но и практический интерес. В частности, актуальность границы раздела СаА8(Сз,0) обусловлена широким использованием фотокатодов с отрицательным электронным сродством (ОЭС) в фотоэлектронных приборах и в качестве источников ультрахолодных и спин-поляризованных электронов. Более глубокое понимание природы электронных состояний на этой границе необходимо для улучшения параметров традиционных СаАз(С8,0) фотокатодов и разработки новых типов фото катодов с ОЭС.

Поверхностное и интерфейсное рассеяние представляет большой интерес в связи с созданием полупроводниковых микроструктур и приборов, в которых перенос носителей заряда осуществляется в баллистическом режиме, а релаксация импульса и энергии происходит, в основном, на границах между слоями. Ранее в [5,6] был предложен спектроскопический метод изучения рассеяния импульса электронов в объеме и на поверхности полупроводника с помощью баллистического поверхностного фототока (ПФТ), возникающего благодаря явлению оптического выстраивания импульсов при возбуждении поляризованным светом [7,8]. Однако, из-за наложения эффектов диффузного рассеяния электронов на поверхности и внутренней границе эпитаксиальной структуры, метод ПФТ неприменим для слоев с толщиной, меньшей длины свободного пробега по импульсу. В связи с этим, актуален поиск новых баллистических фотоэффектов, которые позволяют исследовать рассеяние как на поверхности, так и на внутренних границах раздела тонкослойных эпитаксиальных структур.

Цель данной работы заключалась в развитии оптических и фотоэлектрических методов модуляционной спектроскопии и в исследовании электронных свойств поверхности и границ раздела эпитаксиальных структур полупроводниковых соединений А3В5. Конкретные задачи состояли в исследовании процессов рассеяния импульса и энергии электронов на границах; выяснении природы локализованных поверхностных и интерфейсных состояний; определении встроенных электрических полей на границах раздела и построении энергетических зонных диаграмм эпитаксиальных структур; разработке оптических методов диагностики электронных

свойств и структурного совершенства границ; повышении квантового выхода, стабильности и спиновой поляризации полупроводниковых фотокатодов с отрицательным электронным сродством.

Объекты и методы решения. В качестве объектов исследования использовались эпитаксиальные структуры на основе соединений А3В5, в том числе чистые эпитаксиальные слои арсенида галлия, структуры со специальным профилем легирования, дельта-легированные ваАв и композиционные А1АзЛЗаАз сверхрешетки, а также псевдоморфные слои твердых растворов 1пваР и 1пСаАэР на подложках ваАз. Большая часть этих структур была выращена в Институте физики полупроводников СО РАН методами газофазной, жидкофазной и молекулярно-лучевой эпитаксии.

Механизмы рассеяния электронов в эпитаксиальных слоях изучались методом поляризационно-зависимых магнитоиндуцированных баллистических фотоэффектов. Использование этих эффектов дает возможность исследовать рассеяние импульса электронов как на поверхности, так и на границе эпитаксиального слоя с подложкой. Встроенные электрические поля определялись методами спектроскопии фототока и фотоотражения. Для разделения различных компонент спектров фотоотражения, обусловленных поверхностными электрическими полями и полями на внутренних границах раздела, применялись методики фазового подавления и Фурье-анализа осцилляций Франца-Келдыша. Электронные свойства границы раздела 0аАз(Сз,0) в сверхвысоком вакууме, а также фотокатоды с отрицательным электронным сродством на основе ОаАз и твердых растворов ЫОаАэР, изучались с помощью методов спектроскопии фотоотражения, фототока, фотолюминесценции, поляризационного анизотропного отражения, квантового выхода фотоэмиссии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

Научная новизна работы состоит в следующем:

3. Обнаружены транспортные резонансы фототока, обусловленные туннелированием электронов из контактной области на уровни Ванье-Штарка сверхрешеток АЬ^з/ОаАв, а также междолинным Г-Х рассеянием электронов на гетерограницах. Предложена методика оценки шероховатостей гетерограниц по спектрам ванье-штарковских состояний в электрическом поле.

4. Обнаружены и исследованы обратимые изменения электронных свойств поверхности р-С&АБ при поочередной адсорбции цезия и кислорода при комнатной температуре, свидетельствующие о доминирующей роли поверхностных состояний, индуцированных адатомами.

5. Предложен новый тип фотоэмиттеров для источников спин-поляризованных электронов на основе псевдоморфных напряженных слоев твердых растворов 1пОаР и 1пОаА8Р. Обнаружены и объяснены нелинейности в зависимостях сдвига и расщепления валентной зоны напряженных слоев от величины деформации.

Научная и практическая значимость работы обусловлена важной ролью поверхности и границ раздела в формировании электронных свойств современных тонкослойных эпитаксиальных структур и приборов на их основе. Разработанные методы фазового и Фурье анализа позволяют определять встроенные электрические поля на поверхности и внутренних границах раздела и, таким образом, восстанавливать зонные диаграммы различных эпитаксиальных структур. В частности, эти методы используются для бесконтактного определения встроенных полей в структурах для арсенид-галлиевых полевых транзисторов на диодах Шоттки, транзисторов с высокой подвижностью электронов на основе гетероперехода ОаАз/АЮаАэ, инжекционных гетеролазеров и электрооптических модуляторов света. Обнаруженный в работе магнитоиндуцированный баллистический фототок может быть использован для исследования рассеяния импульса электронов в объеме, на поверхности и внутренних границах раздела эпитаксиальных структур. Результаты по обратимым изменениям электронных свойств р-ваАз при адсорбции цезия и

кислорода позволяют пересмотреть представления о природе поверхностных состояний и механизмах закрепления уровня Ферми на поверхности полупроводников А3В5. Работа по исследованию свойств и совершенствованию параметров фотокатодов на основе напряженных твердых растворов 1пОаАзР послужила научной основой для использования таких фотокатодов в качестве эффективных источников спин-поляризованных электронов. Для ГпваАзР фотокатодов получены рекордные значения параметра качества - произведения квантового выхода фотоэмиссии на квадрат спиновой поляризации электронов. В настоящее время такие фотокатоды уже используются для получения пучков поляризованных электронов в Университете Майнца (ФРГ) и в Институте ядерной физики Амстердама (Нидерланды). Планируется использование таких фотокатодов в ряде других научных центров.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

2. Обнаруженные магнитоиндуцированные поляризационно-зависимые фотоэффекты обусловлены оптическим выстраиванием и циклотронным поворотом импульсов фотоэлектронов в тангенциальном магнитном поле, а также рассеянием на границах полупроводника. При низких температурах фотоэлектроны с энергией ~30 мэВ пересекают сравнительно толстые (~10 мкм) эпитаксиальные слои ваАв в баллистическом режиме и диффузно рассеиваются на границе с подложкой.

3.В структурах с модулированным легированием тонкая структура спектров фотоотражения вблизи ширины запрещенной зоны обусловлена не квантово-размерными оптиче�