Особенности экситонных спектров приповерхностных квантовых ям А3В5 и твердых растворов полупроводников А2В6 с дефектами упаковки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

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

на правах рукописи

ВЛАСОВ ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОСОБЕННОСТИ ЭКСИТОННЫХ СПЕКТРОВ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ КВАНТОВЫХ ЯМ А3В5 И ТННРДЫХ РАСТВОРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ А2Вб С ДЕФЕКТАМИ УПАКОВКИ.

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1994

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

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, члеп-кореспоидент Российской Академии Наук, профессор Каплянскии A.A.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических паук Сейсян Р.П. доктор физико-математических паук Агекян В.Ф.

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский Государственный Технический Университет

Заицца-диссертадни состоится " ' ' " ' _1994г.

в ^^ часов на заседании специализированного совета К.003.23.02 при Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук Куликов С.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Дк1у;ил1Шс:п.лсчь1, Необходимость глубокого и всестороннего изучение оптических свойств полупроводниковых материалов вызвано важном ролью, которую эти материалы шрают в развитии современной оптоэлектронпки. Оптические свойства полупроводников в области края поглощения в значительном степени обусловлены образованием в них экснтониых возбуждении. Спектроскопические исследования экснтонных состоянии в полупроводниковых крпстачлах позволяют получить важную информацию об энергетической структуре полупроводника, о процессах взаимодействия экситонов с кристаллической решеткой,о свойствах экситонов, о структурном совершенстве кристаллов и его фазовых превращениях н т.д. Таким образом методы экситонной спектроскопии являются одним из главных инструментов для исследования фундаментапьных свойств новых полупроводниковых материалов, которые могут составить элементную базу огпоэлектроннки будущего. Настоящая работа состоит из двух основных частей,одна из которых связана с исследованием окситонноп фотолюминесценции квантовых ям (КЯ) GaAs/AIGaAs, расположенных вблизи поверхности структуры, а другая - с исследованием влияния плоских дефектов упаковки в твердых растворах полупроводников (ТРП) А2В6 ZnCdSe и ZnMgS на экешонные спектры.

Исследование ннзкоразмерных структур А'В5, таких как квантовые ямы (КЯ), квантовые нити и квантовые точки, является одним из наиболее актуальных направлении современной физики полупроводников,что связано с их широким применением и современной микроэлектронике. Их оптические и электрические свойства определяются с одной стороны эффектами размерного квантования, приводящими к увеличению плотности электронных состояний в минимумах зон и силы осциллятора излучательных переходов, что позволяет резко улучшить характеристики многих оптоэлсктроипых устройств. С другой стороны эти свойства сильно зависят от процессов, протекающих на поверхностях и интерфейсах, ограничивающих паиообьскты. С уменьшением размеров наноструктур, когда увеличивается отношение открытой поверхности к обьему структуры, взаимодействие размерно-квантованных электронных состояний с близко расположенной поверхностью или интерфейсом во многом начинает определять нзлучательные и электрические свойства нанообьектов. Поверхностные и интерфейсные состояния являются обычно эффективными центрами безызлучательной рекомбинации, существенно снижающими потенциальные возможности практического использования наноструктур. Т.о. для улучшения параметров оптоэлектронных приборов на основе наноструктур актуальными яаляются исследования механизмов влияния поверхности

па близлежащие квантованные электронные состояния. В последнее время для изучения 'механизмов такого влияния широко используются спектроскопические исследования приповерхностных КЯ, т.е. КЯ, отделенных от поверхности барьерным слоем столь малой толщины, что поверхность оказывает сильное влияние на состояния в КЯ.

Интерес к изучению твердых растворов полупроводников (ТРП) А2В6 также продиктован тон важной ролью, которую онн играют в развитии современной оптоэлектроннки. Привлекательной особенностью ТРП А2В6 является возможность в широких пределах изменять ширину запрещенной зоны и положение края фундаментального поглощения в пределах практически всего видимого диапазона, эффективные массы носителей, параметры решетки и т.д. В частности ТРП гпСЖе и гпМдБ в последние годы стали часто использоваться для создания сине-зеленых гетеролазеров в видимой области спектра. С одной стороны это продиктовано тем, что изменение ширины запрещенной зоны в них захватывает практически весь видимый диапазон, а использование гиМ^Б позволяет даже перешагнуть в ультрафиолетовую область. С другой стороны изменение состава ТРП приводит к изменению постоянной решетки, что позволяет получать ненапряженные гетероструктуры. ТРП в этом •

смысле уникален, поскольку при определенных составах позволяет получить постоянную решетки, очень близкую к наиболее часто используемому в оптоалектронике СаАв. В то же время практическое применение ТРП 2пС<18е и сильно осложнено тем, что в определенной области концентраций у них ■ возможно образование собственных плоских дефектов решетки- дефектов упаковки, приводящих к концентрациошю-зависящей перестройке структуры ТРП из кубической в гексагональную. В частности полученные к настоящему времени гстеролазеры на основе 2п\^58еЛ£пСИ8е очень быстро (30-90сек) деградируют в рабочем режиме генерации. Поскольку при концентрациях ТРП, используемых в гетеролазерах такого тша, энергия образования дефектов упаковки становится очень малой,то одной из возможных причин быстрой деградации может быть образование дефектов упаковки. Эксптонная спектроскопия позволяет проследить за изменением зонной структуры ТРП с концентрацией, исследовать структурные изменения и оценивать качество кристалов.

Цслыо работы является экспериментальное исследование методами экситоннон спектроскопии механизмов влияния поверхности на размерно- квантованные состояния в квантовых ямах ваАз/АЮаАз, расположенных на малых расстояниях от поверхности и построение картины процессов, протекающих в приповерхностной области полупроводника при освещении. В задачу работы входило проведение измерений при различных условиях эксперимента (различные темпеатуры, иненснвностъ фотовозбуждеиия, расстояние от КЯ до поверхности н различная шнрина приповерхностной КЯ). Для корректной постановки экспериментов в данном направлении необходимо было решить также методическую проблему

контролируемого изменения расстояния ог КЯ до поверхности при фиксированных свойствах последней.

Кроме тот, в задачи настоящей работы входило исследование методами экептотшой спектроскопии ТРИ Л-В6 /.пМрЯ и ZnCdSe с концентрационным структурным переходом сфалерит (7 В) - вюртцнт 0^), сопровождающимся образованием плоских де^х-ктов упаковки. Эти исследования предполагают экенерпментатьное выделение области концентрационного структурного перехода, определение кенцентрашюнон зависимости зонных параметров ТРГ1, исследование влияния композиционного и с 1 руктурпого беспорядков, вызванное ирнсугствнем де(|х:ктов упаковки на экономные состояния.

Научная „иовнищ представленных в диссертационной работе результатов заключается п том, что в нем впервые:

--разработан метод приготовления образцов с квантовыми ямами СаАь/АЮаЛх, в которых плавно в широких пределах (наиомаантаб) изменяется расстояние от КЯ до поверхности, что позволяет использовать методику приповерхностных КЯ для исследования влияния различных пост-ростовых обработок. Предложенный метод позволяет свести к минимуму неконтролируемым разброс свойств поверхности и свойств образца при изменении расстояния ог КЯ до поверхности, -обнаружен длинноволновый сдвиг (до 12 мэВ для КЯ 50Д) и тушение (до 1(И) липни ФЛ КЯ (¡аЛ!>/Л!СаЛ5 при расстояниях до окисленной и пассивированной поверхности, меньших чем ЗООЛ.

--установлены зависимости длинноволнового сдвига и э(|х|хжта тушения от интенсивности возбуждающего света, а также от температуры кристалла . --анализ экспериментальных зависимостей выявил доминирование роли прнноверчноаного электрического поля в наблюдаемых эффектах. Получены данные об основных параметрах, характеризующих экранирование -электрического поля в приповерхностной области полупроводника.

-меюламн экситонной спектроскопии п системе ХпСс15с, выделена область концепграцнонпот структурного перехода сфалернт-вюртнит, соответствующая концентрациям 0.5<\<0.7, для которой характерно образование большого количества плоских дефектов упаковки. Получена концентрационная зависимость ширины запрещенной зоны в области структурного перехода н положения отщепленной верхней валентном зоны.

-исследована концентрационная зависимость уширения линии экснтоиного отражения в ТРИ /.пСЖе по всей облает концентраций. Показано,что уширение в структурно-чистых кристаллах 'П'П обусловлено флуктуацнямн состава. Обнаружено дополнительное уширенне лншш экснтоиного отражения в области структурного перехода, которое обьясняется влияиттем структурного беспорядка, вызванного наличием лс())ектов упаковки. Показано, что существующая теория локапизанпи экешонов случайным одномерным потенциалом удовлетворительно количественно описывает jK4iciiiivicin.Tn.Hi.ie данные.

—обнаружено сильное увеличение полуширины линии экентоннои люминесценции и увеличивающийся с концентрацией дефектов упаковки стоксов сдвиг максимума люминесценции относительно дна экситонной зоны в ТРП ZnCdSe и ZnMgS в области структурного перехода. Показано, что эти явления могут быть обусловлены локализацией экситонов на плоских дефектах упаковки.

Достоверность_и_надежность_результатов. Достоверность и

надежностьэкспериментальиых результатов и выводов работы обеспечены тщательной проработкой методики измерений и подтверждается удовлетворительным согласованием полученных результатов с расчетными моделями иимеющимимся литературными данными.

Научная и практическая значимость. Показано, что неравновесные процессы экранироан приповерхностного электрического поля, изученные в рамках настоящей работы, должны рать важную роль в системах с пониженной размерностью. В частности полученные данные позвют прояснить природу так называемых, "мертвых" слоев в квантовых нитях и точках, ответственных за тушение фотолюминесценции, наблюдающееся при уменьшении размеров подобных наноструктур, влиянием встроенных приповерхносных алектрческих полей.

Показано, что влияние приповерхностных полей fia ФЛ КЯ является общим явлением, которое следует принимать во внимание при интерпретации экспериментальных данных с использованием метода приповерхностных КЯ -характеризация пространственного профиля дефектов, образованных сухим ионным травлением, влияние разичных типов обработки поверхности и т.п.

Разработанный высокоразрешающий оптический метод определения распределшы электрического поля в приконтактной области полупроводниковых структур, использующий КЯ, расположенную lia варьируемом расстоянии от поверхности, в качестве датчика напряженности электрического поля превосходит другие оптические методы (КРС, фотоотражение) по разрешению и точности и может использоваться для диагностики гетероструктур.

Данные об области концентрации н характере протекания коцентрационного • структурного перехода сфалит - вгорцит важны для нужд практического материаловедения . Данные спектральных исследований излучательньи свойств ТРП ZnMgS 11 ZnCdSe оценки эффективности работы полупроводниковых лазеров с электронной накачкой на их основе, разработки излучательных элементов люминесцентных экранов. Отдельно можно вьщелнть полученные данные о перспективной для практического применения системе ТРП ZnMgS , на основе которой возможно создание лазера, работающего в ближнем ультрафиолете с длиной волны до 300 им. Разработанная теория и общим подход к экспериментальным исследованиям особенностей экстонных спектров обусловленных детам упаковки имеет важное значение и дня друшх систем кристаллов , в которых возможно их образование ( А3В6, А'В7 ).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработан вмсокоразрешающий метод оптическом характеризацни приповерхностной области полупроводниковой гетероструктуры, подвергнутой различным пост-ростовым обработкам. Метод основан на использовании клинообразны« эпнтаксиальныос образной, с набором КЯ различной ширины и позволяет варьировать в наномасштабе расстояние от КЯ до поверхности структуры. ФЛ КЯ при этом используется как оптический пробник свойств приповерхностной области полупроводника, подвергнутой различной пост-ростовой обработке,что позволяет получить информацию, важную для оптимизации технологического процесса приготовления наноструктур и микроэлектронных приборов.

2. При изменении толщины барьерного слоя, отделяющего квантовую яму в системе СаЛв/ДЮаЛв от поверхности, полученной травлением и пассивированной на низкотемпературную экситопиую ФЛ ПКЯ обнаружен длинноволновый сдвиг и тушение липни ФЛ. Устапоатены зависимости этих эффектов от толщины приповерхностного барьерного слоя, ширины квантовой ямы, интенсивности фотовэзбуждения и температуры кристалла.

3. Диализ совокупности экспериментальных данных с учетом различных возможных механизмов взаимодействия состоянии в КЯ с поверхностью выявил доминирующую роль приповерхностного изгиба зон и связанного с ним квантово-размерного Штарк-эффекта. На основании теории квантово-размерного Штарк-эффекта построены картины распределния приповерхностного электрического поля.

4. Концентрационная зависимость уширення экситонных линий в спектрах отражения структурно чистых ТРП ZnCclSe может быть удовлетворительно объяснена в модели взаимодействия экситонов с крупномасштабными флуктуациями состава твердого раствора. Обнаружено дополнительное уширение экситонных линий в области структурного перехода сфалерит - вюртцит, которое может быть обьяснено на основе модели взаимоденстыш экситонов с плоскими дефектами упаковки.

5. Обнаружена концентрационная зависимость уширення линии экситоннон люминесценции и стоксова сдвига ее максимума относительно дна экситоннон зоны в ТРП /.пСЖе и ZllMgS. В области структурного перехода обнаружено дополнительное увеличение ширины линии люминесценции и стоксова сдвига. Показано, что эти зависимости отражают характерные изменения края зоны, связанные с проявлением композиционном и структурной разупорядоченностн.

Апробаиня работы. Основные результаты диссертации докладывались на 12 Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев,1990), 13 Международной конференции по твердому телу Европейского физического общества (Регенсбург, 1993), 3 Международной конференции по оптике экситонов в квантово-размерных структурах (Монпелье,1993), 17 Международной конференции по дефектам в полупроводниках (Гмюиден,1993), Весенней сессии Европейского общества по исследованию материалов • (Страсбург, 1993). Результаты так же

докладывались на научных семинарах Университетах г.Ресснсбурга, г.Мюнхсна , г.Санта-Барбара п др., а так же в С.-Петербургском Государственном Университете, ФИАН им.П.НЛебсдева и на семинарах в ФТИ.

П>$ЛНК9ШШ- По материалам диссертации опубликовано б научных статен в отечественных зарубежных изданиях. Основные результаты опубликованы также в тезисах 5 отечественных и зарубежных конференций. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура н обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, двух частей по три главы в каждой, приложения, заключения и списка литературы. Общин обьем 176 машинописных страниц, в их числе 38 рисунков. Список литературы содержит 166 наименовании.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Ло._Ш1£Д£ШШ обоснована актуальность изучения процессов влияния поверхности на фотолюминесценцию приповерхностных квантовых ям и исследования влияния

композиционной и структурной разупорядоченности твердых растворов полупроводников А2, В6 на экентрнные спектры. Приведен план последующего изложения.

Первая часть диссертации состоит из трех глав и посвящена исследованию приповерхностных

КЯ Л3ц5.

Глава_1,1 "Спектроскопия приповерхностных КЯ как метод исследования

взаимодействия поверхности с размерно-квантованными состояниями в нанос 1руктурах" носит обзорный характер.

В §1-2 приведены общие сведения об оптических свойствах низкоразмерных структур - квантовых ям, кланговых нитей и квантовых точек. Показано, что с уменьшением размеров наноструктуры возрастает рать офанпчнвающнх ее интерфейсов или поверхностей, что приводит к резкому падению эффективности излучагельной рекомбинации. Поставлен вопрос о необходимости изучения процессов, протекающих в приповерхностной области наноструктур.

В §3 приведен краткий обзор литературы по современным исследованиям по приповерхностным КЯ. Показано, что спектроскопия приповерхностных КЯ является ■нормативным . методом исследования влияния поверхности на размерно-квантованные состояния. Благодаря тому, что к настоящему времени достаточно хорошо изучены оптические свойства КЯ, расположенных глубоко в объеме структуры, оказывается возможным связать изменения в спектрах КЯ, возникающие при приближении КЯ к поверхности с влиянием последней. Т.о. сама яма может рассматриваться как своеобразный локальный оптический датчик, несущий информацию как о свойствах самой поверхности, так и о свойствах приповерхностной области полупроводника. При этом взаимодействие КЯ-поверхноегь исследуется в максимально простой ддя интерпретации геометрии опыта,

когда КЯ расположена параллельно поверхности структуры. В обзоре основное внимание уделено изложению различных теоретических моделей влияния поверхности, выдвинутых различными авторами для обьяснения экспериментальных результатов. Показано, что основными факторами влияния поверхности на излучательную рекомбинацию ил нерасположенных квантованных состояний являются процессы туннелированмя носителей на поверхностные состояния и прмповерхностное электрическое поле. Показано, что для надежного выбора том или иной модели для описания экспериментальных данных необходимо проведение тщательных исследований всех основных зависимостей наблюдаемых спектральных эффектов: от расстояния до поверхности, от ширины КЯ, от интенсивности и энергии фотовозбуждения, температуры и т.д. В заключении главы сформулированы основные цепи и задачи работы.

Глава_1.2 посвящена описанию использоваых в диссертационной работе экспериментальных методов иссс.педовання приповерхностных КЯ GaAs/AlGaAs.

В 51 приведено описание экспериментальных установок для измерения спектров экентоинной фотолюминесценции и отражения.

В §2 подробно изложен разработанный нами метод характеризации различных пост-ростовых обработок поверхности гетероструктур А^В^ с помощью спектроскоп!ш приповерхностных КЯ. Метод основан на использовании фадпентных структур с набором КЯ различной ширины, выращенных молекулярно-пучковой элпгакспсп на псврлникнцепся подложке. Структуры были выращены в ФТИ в группе В.П.Пвтпхнсва. Благодаря различию в скоростях роста в плоскости подложки толщина структуры (т.е. толщины барьеров и КЯ) сильно изменяется вдоль некоторого направления, так что структура обладает клинообразной геометрией. Контроль величины градиентов проводится с помощью ФЛ и лазерной рефлектомсфни. Для приближения поверхности к КЯ нами использовалось травление с фу муры в полирующем енлыю разбавленном травнтеле в результате которого поверхность вдвигается вглубь образца плоско-паралельным переносом. В эксперименте варьирование расстояния от КЯ до поверхности осуществляется простым перемещением лазерного пятна по поверхности образна с последовательной регистрацией спектров ФЛ. Оценка расстояния от поверхности до КЯ возможна (с ЮЧНОС1МО до !0А) непосредственно из анализа спекфов ФЛ по энергетическому положению пиков ФЛ КЯ, отражающих изменение толщины структуры. Таким способом приготовленные образны позволяют исследовать изменения свойств новерчпосги и приповерхностной области под воздействием различных пост-ростовых обработок ( нонпо-плачменное травление, поверхностная пассивация, ионная бомбардировка, последующее эгшгакспалыюе наращивание гг т.п.), использующихся при приготовлении наноструктур и микроэлектроннмх приборов. При этом предлагаемый метод позволяет свести к минимуму фактор неконтролируемого разброса свойств новерчности. который играет существенную роль в pairee

предложенных аналогичных методиках с использованием серии образцов с разным расстоянием до поверхности. В заключении главы сформулированы выводы.

В Главе 13 "Экситонная фотолюминесценция приповерхностных КЯ GaAs/AlGaAs" изложены результаты экспериментального исследования взаимодействия КЯ-поверхностъ выполненного с помощью описаной выше методики.

В §1 обсуждаются основные изменения в спектрах ФЛ КЯ, наблюдающиеся при уменьшении расстояния от КЯ до травленой и пассивированной Na2S поверхности -длинноволновый сдвиг и сильное тушение линии ФЛ приповерхностной КЯ. Сформулированы основные экспериментальные особенности наблюдаемых зависимостей величин длинноволнового сдвига и тушения от расстояния до поверхности и ширины КЯ:

1). При надбарьерном фотовозбуждении мощностью 100 Вт/см^ эти эффекты начинают проявляться на достаточно больших расстояниях от поверхности d~300A, что существенно превосходит характерные пространственные масштабы взаимодействия КЯ-поверхностъ, проявляющихся в различных туннельных моделях (<150А). При этом наблюдается длинноволновый сдвиг и гашение ФЛ не только

,, ближайшей к поверхности ямы, но п следующей за ней ямы.

2). Характерные расстояния (d~300A), при которых поверхность уже заметно воздействует на ФЛ ПКЯ, одинаково проявляются как в длинноволновом сдвиге дЕ, так и в эффекте тушения ФЛ, что указывает на одну и ту же причину появления этих эффектов.

3). Сдвиг и тушение ФЛ монотонно -увеличиваются при уменьшении d, достигая для ямы 50А величин 12 мзв и 1(Н соответственно. При малых расстояниях d<100A падение интенсивности ФЛ ПКЯ резко усиливается и близко к экспоненциальному закону.

4). Длинноволновый сдвиг линии ФЛ ПКЯ растет с увеличением ширины ямы.

§2 посвящен анализу возможных механизмов длинноволнового сдвига. Учитывая расстояния, на которых обнаруживаются влияние поверхности можно предположить доминирование механизма, основаного на учете загиба зон и квантово-размерного Штарк эффекта. Действительно в этом случае влияние поверхности будет простираться на расстояния порядка длины Шотгки:

где £0 - диэлектрические проницаемость, "fis - изгиб зон, eN- обьемный заряд. Это предположение подтверждается наблюдением другого явления, характерного для Штарк-эффекта - увеличением длинноволнового сдвига при увеличении ширины квантовой ямы. Таким образом основные особенности ФЛ ПКЯ свидетельствуют об определяющей роли квантово-размерного Штарк-эффекта, обусловленного существованием электрического поля вблизи поверхности полупроводника.

В рамках этого механизма проведен расчет пространственного распределения поля F(d) по зависимости длинноволнового сдвига Л E(d) от расстояния до поверхности. Расчеты производились на основании теории квантово-рлзмерного Штарк-эффекта в рамках вариационного подхода. Эти расчеты позволили сопоставить распеределение поля полученной из ФЛ данных для трех КЯ различной ширины, что показало хорошее совпадение расчитанных зависимостей F(d). Найденное усредененпем распределение поля близко к линейному спаду, характерному для случая обеднения приповерхностного слоя основными носителями с характерной толщиной обедненного слоя 500А. Соответствующая величина загиба зон составляет 0.35 эВ, что говорит об эффекте выполаживалш зон при фотооблученип. Концентрация обьемного заряда в обедненном слое N~2*1017 см-1 существенно превышает уровень легироваипя исследовавшихся образцов мелкими примесями ~10|5-1016 см-3, что может быть связано с процессами оптической перезарядки глубоких центров, проявляющихся при высокой интенсивности фотовозбуждения.

В §3 обсуждаются возможные механизмы тушения ФЛ. Большое расстояние на котором начинает проявляться этот эффект указывает на ту же причину -электрическое поле. По порядку величины (тушение в 10 раз в поле 105В/см ) наблюдаемый в опытах эффект согласуется с литературными данными, полученными в экспериментах с внешним электрическим полем (КЯ в pin-структуре). Делается вывод, что наблюдаемое тушение может быть объяснено, как результат индуцированного нолем туннелирования носителей из КЯ через перекошенный электрическим полем барьер с последующей безызлучательной рекомбинацией в барьере или на поверхности.

$4 посвящен изложению экспериментальных зависимостей наблюдаемых эффектов от интенсивности фотовозбуждения. Показано, что зависимость интенсивности люминесценции КЯ от интенсивности фотовозбуждения суперлинейна вплоть до мощностей -200 Вг/см2, что характерно доя систем с большой ролыо безызлучательных процессов. Отсутствие нелинейного участка при больших накачках указывает на несущественность процессов заполнения КЯ избыточными носителями одного знака. Выполненные измерения величин длинноволнового сдвига дЕЙ) для меньшей интенсивности фотовозбуждеши ~4Вт/см2 показали, что в этом случае эффекты влияния поверхности начинают проявляться при еще. больших расстояниях -700А. При этом при расчетах распределения приповерхностного поля было получено несколько иное распределение поля, чем для случая 100Вт/см2 - изгиб зон 0.43 эВ, N~9*1016cm"3 - параметры экранирования оказались промежуточными между темповым случаем (0.9 эВ и Ю'^сьг3) и случаем большой интенсивности.

В §4 изложены результаты исследования зависимости интенсивности ФЛ ПКЯ от температуры кристалла. Показано что при уменьшении расстояния от КЯ до поверхности (<30А) наблюдается быстрое тушение ФЛ при значительно более низких температурах (10- 50К), чем для более глубоко расположенных КЯ. Показано, что

этот эОДккт может быль обьяеиеи увеличением напряженности приповерхностного электрического ноля при увеличении температуры кристалла.

1$ 55 сформулирована предлагаемая модель влияния поверхности на ФЛ ПКЯ, основанная на учете изгиба зон и квант ово-размерного Штарк-эффекта. В заключении главы сформулированы основные выводы.

Игорях, масть диссертации посвящена исследованию особенностей экснтопных спектров твердых растворов полупроводников А2В(> с дефектами упаковки.

Главл 11.1 пост обзорный характер. Здесь обсуждается кристаллография де(|)ектов упаковки в соединениях и твердых растворах Л2В(>. Кристаллическая структура гексагональных и кубических кристаллов Л2В(1 отличается расположением лишь фельего слоя плогнеГнмен упаковки и поэтому энергетические различия этих структур пезначше.тьны и вошожпо образование слоев, уложенных "пеиравильпо" по сравнению с совершенно!! решеткой - дефектов упаковки (ДУ). Энергия их образования доеючно мата (например для /л.8 < 6 мэВ/атом) и введение даже малого количества примесей, искажающих решетку, приводит к резкому возрастанию концентрации ДУ. В ТРИ Л-В'\ в которых крайние бинарные соединения кристаллизую гея в различных модификациях - сфалерит и вюргпнг (к ним относятся и исследуемые в настоящей работе ,Т1'11 /.nCd.Se н У.п.\1<Л) также происходит образование ДУ в определенной области промежуточных концентрации замещающей компоненты. В кристаллах, выращенных пз расплава, ДУ располагаю гея преимущественно вдоль одной пз четырех осей фетьего порядка, что приводит к появлению оптической анизотропии. При этом двулучепреломлеиие кристалла Дп оказывается прямо зависящем от концентрации ДУ оС (еС - относительная доля гексагональных слоев н прснмутцестешю кубическом кристалле), что позволяет достаточно просто контролирован, концентрацию ДУ в эксперименте. Кристаллы с ДУ можно рассматривав как промежуточные состояния структурного флювого перехода сфалерит (/.В) - вюртпит (\У). Оказывастся, что в ТРИ концентрация ДУ »С зависит от концентрации х замещающей компоненты и можно говорим,' о концентрационном структурном переходе.

Отдельно обсуждаются ¡хмулмаш экспериментальных исследовании влияния дефектов упаковки па экептонные спектры отражения в соднпеннях Д2Ц<> п их твердых растворах. Рассмотрены различные теорешчсские описания Э(|х|\.-ктов неоднородного ушнрения линии экснтопных переходов, связаппного с процессами локализации и рассеяния экситопов в поле случайного пок'нпиала. вызванного наличием композиционной и струкутурпой рачунорядоченности. В ¡аключеиип главы сформулированы основные пели и задачи исследования.

Глава__П«2 носил мегодичеекпп характер. В ней рассмотрен вопрос

приготовления н характсризанпн образцов ТРИ для сискфоскоипческпх исследований н приведено описание основных экспериментальных установок для исследования эксиюнных спек1рон в ппдпмоГ! и бтпжнеп у.чьчрафполеговой областях сисмра.

Глава ПЛ посвящена исследованию особенностей экснтонных спектров 11*11 ХпСсЮе н 7.пМ{!.ъ с концстрпционым структурным переходом сфалерит - вюртцпт.

§1 посвящен исследованию концентрационной зависимости спектров .жетонного отражения и системе ТРИ /.пхСс1|_х8е. При исследовании экснтонных спектром отражения было обнаружено, что для составов 0<ч<0.7 спектр состоит из трех основных поляризованных линии, соответствующих переходам (Гу-Г7) - экенгон п=1А с поляризацией Ехс (с - ошнчсская ось кристалла), СГ7-Р7)) - экситон п=П? с преимущественной поляризацией П!1с и (17-Г7)|-нсполярпзоиаппая линия экептона п=1С. Подобна структура зон характерна для одноосного кристалла. При этом величина расщепления Д/\В растет до 36.8мэВ с увеличением концентрации х до 0.5, что отражает монотонное возрастание анизотропного кристаллического поля симметрии С(п. . При больших концентрациях твердого раствора в области 0.5<х<0.7 наблюдается резкое уменьшение расщепления ДЛИ н при х>0.7 липни Л и В экентоиоп по'шосгыо сливаются в одну ненолярнзованнуга линию, что отражает зонную структуру, характерную для кубического кристалла. Т.о. сделан вывод, что область концентраций 0<х<0.5 соответствует области образования кристаллов гексагонально!"! модификации, область 1.0>х>0.7 - стабильно!! кубической структуре, а в области 0.5<х<0.7 происходит сгрухгурный переход '/Я - XV с образованием большого количества ДУ. По положению 'жептоннмх линии в спектре отражения была раечнтана не известная ранее зависимость ширины запрещенной зоны в области структурного перехода и зависимость энергетического зазора между зоной проводимости и верхней валентной 3011011, отщепленной одноосным кристаллическим полем (переход 0УГ7)|) для всей области концентрации. При этом оказалось, что дня гексагонального кристалла зависимость квадратичная, тогда как для области структурного перехода линейная.

Исследование копцентарцнонной зависимости спектров экептонного отражения кристаллов ZnCd.Se кроме того показало, что липни экситонных переходов испытывают заметное уишренпе. Так ширина линии А-экснтона растет к эквнмолярным составам, при этом на фоне плавного увеличения полуширины линии отражения для структурно - чистых составов 0<х<0.5 и 0.7<х<1, достигающее величины 5-бмэВ, наблюдается довольно значительное дополнительное уширенис в области структурного перехода 0.5<х<0.7 достигающее величины 9мэВ. Интерпретация наблюдаемого ушпрення в области структурно чистых ТРП была проведена нами на основе теоретических работ АЛ.Эфроса с сотрудниками, которые показали, что случайный статистический характер замещения атомов в соответствующей подрешетке твердого раствора приводит к флуктуациям кристаллического поля и появлению хвостов плотности локализованных состояний в запрещенной зоне и рассеянию делокализоваиных возбуждений. При этом если радиус локализации экситона ' меньше его воровского радиуса ав, то возможно использование модели, учитывающей взаимодействие только электрона с потенциалом

флуктуации коцонтрацин. Полуширина экситонной линии описывается в этом случае формулой:

где Ы^ =с!НсЛ!х. В пределах экспериментальной погрешности формула (2) хорошо описывает экспериментальные данные по ушрепню липни экситоимого отражения для структурно-чистых составов.

Исследование эффектов ушнрення экентоиных линии, в системе 2пС(18е, вызванного присутствием ДУ, осложнено тем, что в области структурного перехода ожидается максимальное ушпрение, вызванное трехмерной композиционной разупорядочепностыо. Кроме того при уменьшении расщепления ДДВ<10мзВ не удается разрешить сильно уширенные линии А в В экситонов. Однако проведение тщательных поляризационных измерений позволило выявить дополнительное уншренне линии п=1Д в этой области, вызванной ДУ. Интерпретация этого эферекта была проведена па основании теоретических работ АЛО.Маслова в рамках теории локализации экситонов одномерным беспорядком. Действительно кристаллы с плоскими ДУ, расположенными преимущественно перпендикулярно оптической оси можно рассматривать как систему с одномерным беспорядком, поскольку чередование плотноупакованных слоев различном модификации меняется хаотически вдоль осн. Решение такой одномерной задачи приводит к следующей формуле, описывающей ушнрение линии экситоиного перехода для случая 1^<ав :

г по- СЕ' "('-«)

Гш = ■ -Г"'. „ з (3)

са ^ ьа„

При этом ушпрение экситонной линии, обусловленное совместным влиянием трехмерного композиционного и одномерного структурного беспорядков определяется фомулой:

Г=л/Т7+Гз„2 (4)

Оказалось, что теоретическая зависимость (4) хорошо описывает экспериментальные данные в области структурное перехода.

§2 и §3 посвящены исследованию экситонной люминесценции ТРГ1 2пСс15е и В спектре излучения ТРП ZnCdSe при Т=2К наряду с характерными для бинарных соединений линиями экептонных комплексов 1( и 12 (экептоиы, связанные па нейтральном акцепторе и доноре) наблюдается линия излучения I,, расположенная непосредственно в области дисперсионной кривой отражения п=1А, что говорит о том, что это излучение из основного состояния. Интенсивность этой линии и се полуширина увеличиваются к эквимолярным составам. При этом линия во всем диапазоне структурно-чистых составов оказывается примерно в 2 раза уже линии экситоиного отражения. Этот факт ярко свидетельствует о неоднородном характере

ушнрснпя основного состояния. В области структурного перехода наблюдается резкое увеличение полуширины с11[ линии до 6-8мэВ, которая уже приближается к ширине линии отражения в этой области, что говорит о сильном влиянии структурной разупорядочеиности. При сопоставлении спектров отражения и люминесценции обнаружено, что максимум линии 1ь сдвинут в длинноволновую сторону относительно точки перегиба дисперсионной кривой отражения, причем этот стоксов сдвпгДЛЬ нарастает к эквимолярным составам до величины 4мэВ. При этом обнаружена прямая пропорциональность величин ДАЬ, и Г во всей области концентрации, прпчеу коэффициент пропорциональности одинаков для структурпо-чнстых составов УЛ п V/ модификации и изменяется в области структурного перехода.

Спектры катодолюмпнесцепцнн 'ГРП 7пМ1'3 полученные прп Т=35К состоят для каждого значения х из одной неоднородно ушнренпой линии излучения, максимум которой располагается в области дисперсионной кривой отражения. С ростом х происходит ушнрение линии люминесценции и увеличение стоксова сдвига максимума относительно резонансной частоты экеитона. Область структурного перехода в этой системе приходится на составы 0<х<0.12 , в середине которой , прп х=0.05б (сЛ=0.5) наблюдается максимальное значение полуширины линии люминесценции и величины стоксова сдвига. Дальше, с увеличением х до 0.12 н изменением оС от 0.5 до 1 происходит относительное сужение линии и уменьшении стоксова сдвига. После завершения структурного перехода и стабилизации V/ структуры при х>0.12 снова наблюдается медленное увеличение ширины и стоксова сдвига. Как и в случае ТРП ZnCd.Se, отмечается взаимозависимость величин Г -ширины линии экситонного отражения, - ширины линии люминесценции и ЛАЬ - стоксова сдвига максимума линии люминесценции относительно резоналса в спектре отражения. Одинаковый характер наблюдаемых явлений в обеих системах ТРП говорит об общем физическом механизме, их вызывающим.

§4 посвящен интерпретации полученных особенностей спектров люминесценции ТРП со структурным переходом с использованием представлений о размытии края экситоннон зоны, вызванным как трехмерной композиционной разупорядочениостыо ТРП, так и одномерной структурной. Развитие этих представлений для описания процессов люминесценции были развиты Ю.А.Масловым (краткое описание дано в приложении). Наличие потенциальных ям, вызванных флуктуацнямн состава и дефектами упаковки, создает дополнительный, по сравнению с бинарными соединениями, канал захвата и излучения экентоноп, конкурирующий с каналами захвата на нейтральные доноры, акцепторы и центры безызлучателыюй рекомбинации. Эффективность этого дополнительного канала естественно растет с числом потенциальных ям, способных локализовать экситон при увеличении степени смешивания твердого раствора. Этот факт обьясияет появление линии , отсутсвующен в спектрах бинарных соединений, и быстрый рост ее относительной интенсивности. При ннзкхх температурах (ДА1»кТ) преяача возбуждений между ЭКС1ГГОННЫМН состояниями в хвосте плотности локализованных экситонных состояний

происходит с испусканием акустического фснона, при этом релаксация возбуждений по хвосту происходит до тех пор, пока вероятное! 1. передачи не сравняется с вероятностью их пзлучателыюги распада. Очевидно, что именно этой 'энергии будет соответствовать максимум интенсивности излучения, при этом линия нхтучення оказывается сдвинутой в длинноволновую область относительно дна зоны. В глубине хвост плотность состоянии мала и процессы передачи энергии малоэ<|х|>скгнш1ы, поскольку увеличивается среднее рассстоянне ¡>;ежду потенциальными ямами. Эти рассуждения приводят к выводу о том, что стоксов сдвиг максимума линии опюстельпо дна экентопной зоны должен быть пропорционален характерной для данной величины беспорядка энергии, описывающей величину хвоста плотности состоянии (формулы 2-4).

ОСИО!Ш1>1К РКЗУ.'И.ТА Ш И НЬПЮДЬП'ЛЬОТЫ

1, Разработан метод характерн ¡ашш различных пост- ростовых обработок-поверхности гетороетрумур А-'В5 , использующий клинообразные эпптакеиальиые образцы с набором КЯ различной ширины н позволяющий варьировать в наиомаештабе расстояние от КЯ до поверхности структуры. ФЛ приповерхностных КЯ в этом методе используется как „воеобразный оптический пробник влияния поверхности, что позволяет иее.ледова1ь ириноверхносшую область полупроводника после обработки и получить ипОюрмацпю, важную для оптимизации те.чнолошческот процесса (распределение внедренных в результате обработки примесей и центров безьплучательной рекомбинации, качества поверхностной пассивации и т.н.). По энер<етпчсекому положению инков ФЛ КЯ возможно определение расстояния ос КЯ до поверхности в данной точке образца с точностью до ЮЛ. Предложенный метод позволяет свести к минимуму влияние неоднородности свойств поверхности и свойств образца, которое сильно проявляется при использовании методики, основанной на исследовании серии образцов с различным расстоянием между КЯ и поверхностью.

2, 'Экспериментальное исследование ФЛ квантовых ям, расположенных на малых расстояниях от поверхности структуры, варьируемых в диапазоне 0 - 500А с помощью предложенного метода, позволило обнаружить длинноволновый сдвиг (до 12 мэв для ямы 50А) и тушение (до 10"*) линии ФЛ при толщинах барьера, меньших 300Л. Установлены зависимости длинноволнового сдвига ог ширины барьера н ширины ямы, от интенсивности (¡ютовозбуждення, а так ас от температуры.

3, Предложена полети модель влияния поверхности на размерно-квантованные состояния в КЯ, которая позволила обьяснпть всю совокупность экспериментальных данных. В рамках эюй модели механизм влияния поверхности на ФЛ кван ювых ям определяется квантово-размерным Штарк эффектом, связанным с приповерхностным изгибом зон. Тушение ФЛ обьясняется индуцированным электрическим нолем тупнелнроваиием носителей из квантовой ямы, их дрейфом и безычлуча ¡елыюп рекомбинацией на поверхности.

4, Величина приповерхностного электрического поля, действующего на КЯ, изменяется при изменении интенсивности фотовозбуждения или изменении температуры кристалла, что и проявляется в изменении величины штарковского сдвига линии ФЛ. Определено пространственное распределение приповерхностного электрического поля на основании данных о величинах длинноволнового сдвига линий ФЛ КЯ, расположенных на различном расстоянии от поверхности. Установлены все основные параметры, характеризующие экранирование поля в различных условиях облучения: загиб зон, толщина обедненного слоя, концентрации обьемного заряда.

5, Методом экснтонного отражения исследована эволюция зонной структуры ТРП 2п,Сс1|.х5е, крайние составы которого кристаллизуются в различных решетках -сфалерита (Хп5е) и вюртцита (Сс15е). Экспериментально определена область составов (0.5<х<0.7), где ТРП кристаллизуется с образованием большого количества плоских дефектов упаковки, обеспечивающих плавный по концентрации х переход структуры от кубической к гексагональной. Определена концентрационная зависимость ширины запрещенной зоны в области структурного перехода и положения отщепленной анизотропным кристаллическим полем верхней валентной зоны в ТРП 2пС(15е во всей области концентраций. Показано, что для области структурно- чистых ТРП характерна квадратичная зависимость энерпш зон от концентрации твердого раствора. Область структурного перехода характеризуется линейными концентрационными зависимостями.

6, Экспериментально исследована концентрационная зависимость уширения линии экснтонного отражения п=1А в ТРП 2лС(15е. Показано, что в структурно-чистых кристаллах ТРП концентрационная зависимость уширения объясняется влиянием композиционной разупорядоченности твердого раствора и может быть описана в рамках модели локализации и рассеяния экситонов на флуктуациях состава твердого раствора. В области структурного перехода в ТРП 7пСс15е обнаружено дополнительное ушнренне линии экснтонного отражения. Показано, что увеличение ширины экентонной липни в этой области составов обусловлено как композиционной, так и структурной разупорэдоченностью твердого раствора. Наблюдаемая экспериментально зависимость уширения линии экснтонного перехода п=1А может быть хорошо описана в рамках модели локалшацин и рассеяния экситонов на плоских дефектах упаковки.

Ъ При исследовании люминесценции двух систем ТРП А2Вб гпСйБе и ТиМ^Б со структурным переходом обнаружено концентрациоино-завнеимое ушнренне линии экентонной люминесценции. Сравнение спектров отражения и люминесценции позволило установить неоднородный характер уширения лшшй экситонных переходов и обнаружить стоксов сдвиг линии экентонной люминесценции относительно экснтонного резонанса, величина которого увеличивается при продвижении к эквимолярным составам. Обнаружено увеличение полуширины лшши экентонной люминесценции и величины стоксова сдвига в ТРП &СУ5е и 7лМ?5 в области

структурного перехода сфалерит- вюртцит. Установлен линейный характер зависимостей величины стоксова сдвига и ширины линии экситонного отражения от полуширины линии экситоиноп люминесценции.

8, Наблюдаемые явления могу быть объяснены в рамках модели взаимодействия экснтонов с трехмерным композиционным и одномерным структурным беспорядком. Концентрационные зависимости параметров экситонного отражения и люминесценции, с этих позиций, объясняются образованием протяженных вглубь запрещенной зоны хвостов плотности локализованных экситониых состояний. Стоксон сдвиг в рамках этой модели объясняется процессами спектральной и пространственной миграции возбуждений по хвосту плотности локализованных состоянии, протяженность которого определяет величину неоднородного уширення линий экситониых переходов. Дополнительное ушпренне экситониых линий и величины стоксова сдвига в области структурного перехода может быть объяснено появлением дополнительного протяженного хвоста плотности состояний экснтонов, локализованных на плоских дефектах упаковки.

.Сннснкпуб.тикатпии) теме, диссертации

1. Л.С.Насибов, П.С.Шапкнн, Ю.В.Коросгелин, Л.Г.Суслина, Ю.Л.Власов, ДЛ.Федоров "О некоторых возможностях продвижения в ультрафиолетовую область спектра" // Труды ФИЛИ им.П.ВЛебедева, сер."Лазеры",1991, т.202, стр.122-127.

2. Ю.Л.Власов, ДЛ.Федоров, А.Ю.Маслов, Я.К.Скасырский, В.И.Козловский "Особенности катодолюминесцепции монокристаллов твердых растворов ZnMgS (0<х<0.32)" // Краткие сообщения по физике ФИЛИ, 1990, 7, стр.27-29.

3. A.S.Nasibov, P.V.Shapkin, J.V.Korostelin, J.A.Vlasov, L.S.Markov, A.l.Maslov, D.L.Feilorov "Spectroscopic investigations of semiconductor solid solutions with stmctiual phase transition (ZnCdSe system)"// Solid State Comm.,I99l,v.78,No.G,pp.52l-S23.

4.В.П.Лстратов, Ю.Л.Власов "Эксптопная люминесценция приповерхностных GaAs/AIGaAs квантовых ям" ФТП, 1993, г 27, выи.7, стр. 1101-1110.

5. Astratov V.N., Vlasov Yu.A. "lixciton spectroscopy of near-surface GaAs/AIGaAs quantum wells - the new method of band bending investigation" // Material Science Forum, 1993, v. 143-147,part I, p.599-603.

6. Astratov V.N., VlasovYu.A. "Photoluminescence observation of quantum confined Staik effect caused by band bending near the surfacc of etched sUTictures with GaAs/AIGaAs wells." //Journal de Physique, 1993, v.3, Colloque 5, No.10, p.277-28l.

7. 'О.А.Власов, ДЛ.<1>едоров, А.Ю.Маслов, Я.К.Скасырский, В.И.Козловский "Элементарные возбуждения в кристаллах ТРГ1 с одномерным беспорядком" // Тезисы 12 Всесоюзной конференции но физике полупроводников ч.1, стр.208, Киев 1990

8. Astratov V.N., Vlasov Yu.A. // Abstract book of ICOS-17 Conference, 18-23 July 1993, Gmunden, Austria, p. 171