Особеннсти 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 ФИЧИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.А.Ф.ИОФФЕ

на правах рукописи

ВЛАСОВ ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОСОБЕННОСТИ ЭКСИТОННЫХ СПЕКТРОВ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ КВАНТОВЫХ ЯМ А3В-4 И ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Л2В6 С ДЕФЕКТАМИ УПАКОВКИ.

_ (01.04.10 - фишка псмупроводннкои н диэлектриков)

РГ б од

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата фтико-математмческих наук

Санкт-Петербург 1994

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

на правах рукописи

ВЛАСОВ ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОСОБЕННОСТИ ЭКСИТОНИЫХ СПЕКТРОВ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ КВАНТОВЫХ ЯМ А3В5 II ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ л2вб 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, член-кореспондент Российской Академии Наук, профессор Каплянский А.А.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Сеисяи Р.П. доктор физико-математических наук Агекян В.Ф.

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский Государственный Технический Университет

Защита диссертации состоится " I1/ '' 1994г.

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института.

Автореферат разослан "_

1994г.

Ученый секретарь специализированного совета ка1шндат физико-математических наук Куликов С.Г.

Общая характеристика работы

Л_кту;црышСТ1._ темы, Необходимость глубокого и всестороннего изучение оптических свойств полупроводниковых материалов вызнано важной ролью, которую эти материалы играют в развитии современной оптоэлектроникн. Оптические свойства полупроводников п области края поглощения в значительной степени обусловлены образованием в них экситонных возбуждений. Спектроскопические исследования экситонных состоянии в полупроводниковых кристаллах позволяют получить важную информацию об энергетической структуре полупроводника, о процессах взаимодействия экептопов с кристаллической решеткой,о свойствах экситонов, о структурном совершенстве кристаллов н его фазовых превращениях и т.д. Таким образом методы экситонной спектроскопии являются одним из главных инструментов для исследования фундаментальных свойств новых полупроводниковых материалов, которые мо|ут составить элементную базу оптоэлектронпки будущего. Настоящая работа состоит ич двух основных частей,одна из которых связана с исследованием экситонной фотолюминесценции квантовых ям (КЯ) СаЛ^/ЛГСаЛя, расположенных вблизи поперхности структуры, а другая - с исследованием влияния плоских дефектов упаковки в твердых растворах полупроводников (ТРИ) Л'В(1 /пСМЯе и ZnMgS на экентонные спектры.

Исследование низкоразмерных структур Л3В\ таких как квантовые ямы (КЯ), квантовые нити и квантовые точки, является одним из наиболее актуальных направлений современной физики полупроводников,что связано с их широким применением в современной микроэлектронике. Их оптические и электрические сионсша определяются с одной стороны эффектами размерного квантования, приводящими к увеличению плотности электронных состояний в минимумах зон и силы осциллятора излучагельных переходов, что позволяет резко улучшить характеристики многих оптоэлсктронпых устройств. С другой стороны эти свойства сильно зависят от процессов, протекающих на поверхностях и интерфейсах, ограничивающих напообьекты. 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 определят!, нзлучательные п электрические свойства нанообьсктов. Поверхностные н интерфейсные состояния являются обычно эффективными центрами безызлучателыюй рекомбинации, существенно снижающими потенциальные возможности практического использования наноструктур. Т.о. для улучшения параметров онтоэлектронных приборов на основе наносфуктур актуальными являются исследования механизмов влияния поверхности

на 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) А2Вб также продиктован той важной ролью, которую они играют в развитии современной оптоэлектроинкп. Привлекательной особенностью ТРП А2В6 является возможность в широких пределах изменять ширину запрещенной зоны и положение края фундаментального поглощения в пределах практически всего видимого диапазона, э(|)фективные массы носителей, параметры решетхи и тд. В частности ТРП 7пС(1Бс и 2пМ£Б в последние годы стали часто использоваться для создания сине-зеленых гетсролазеров в видимой области спектра. С одной стороны это продиктовано тем, что изменение ширины запрещенной зоны о них захватывает практически весь видимый диапазон, а использование гпГ^Б позволяет даже перешагнуть в ультрафиолетовую область. С другой стороны изменение состава ТРП приводит к изменению постоянной решетки, что позволяет получать ненапряженные гстероструктуры. ТРП ZnMgS в этом смысле уникален, поскольку при определенных составах позволяет получить постоянную решетки, очень близкую к наиболее часто используемому в оптоэлектронике ваАз. В то же время практическое применение ТРП гпСс15е и 2пМ§5 сильно осложнено тем, что в определенной области концентраций у них возможно образование собственньк плоских дефектов решетки- дефектов упаковки, приводящих к концентрацпонно-зависящей перестройке структуры ТРП из кубической в гексагональную. В частности полученные к настоящему времени гетеролазеры на основе 2пМй58е/гпС(18е очень быстро (30-90сек) деградируют в рабочем режиме генерации. Поскольку при концентрациях ТРП, используемых в гетеролазерах такого тмпа, энергия образования дефектов упаковки становится очень малой,то одной из возможных причин быстрой деградации может быть образование дефектов упаковки. Экситонная спектроскопия позволяет проследить за изменением зонной структуры ТРП с концетграцнен, исследовать структурные изменения и оценивать качество крнсталов.

Цслыо работы является экспериментальное исследование методами экентонноп спектроскопии механизмов влияния поверхности на размерно- квантованные состояния в квантовых ямах СаАх/АЮаАв, 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, иненсивностъ фотовозбуждения, расстояние от КЯ до поверхности и различная ширина 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 того, в задачи настоящей рабогы входило исследование методами экситонпой спектроскопии ТРП А:В" 7д>М«Я и гпСс^е с концентрационным структурным переходом сфалерит (7. В) - вюртцит (\У), сопровождающимся образованием плоских де<|х-ктов упаковки. Эти исследования предполагают укснернментальное выделение области концентрационного структурного перехода, определение концентрацнопой зависимости зонных параметров ТРП, исследование влияния композиционного и Сфуктурпого беспорядков, вызванное присутствием де<|х;ктов упаковки па экентониые состояния.

Научная ...новизна представленных в диссертационной работе результатов заключается в том, что в мен впервые:

-разработан метод приготовления образцов с квантовыми ямами СаА^АЮаЛя, в которых плавно в широких пределах (ианомасштаб) изменяется расстояние от КЯ до поверхности, что позволяет использовать методику приповерхностных КЯ дня исследования влияния различных иост-ростовых обработок. Предложенный метод позволяет снести к минимуму неконтролируемый разброс свойств поверхности и свойств образца при изменении расстояния ог КЯ до поверхности, -обнаружен длинноволновый сдвиг (до 12 мэВ для КЯ 50Л) и тушение (до 1(И) липни ФЛ КЯ ОаЛк/ЛЮаАх при расстояниях до окисленной и пассивированной поверхности, меньших чем ЗООА.

-установлены зависимости длинноволнового сдвига и эффекта тушения от интенсивности возбуждающего света, а также от температуры кристалла . -анализ экспериментальных зависимостей выявил доминирование роли приповерхностного электрического поля в наблюдаемых эффектах. Получены данные

об основ...... параметрах, характеризующих экранирование электрического поля в

приповерхностной области полупроводника.

-меюдамн экситонпой спектроскопии в системе ХпСЖе, выделена область концентрационного структурного перехода сфалерит-вюртинт, соответствующая концентрациям 0.5<х<0.7, для которой характерно образование большого количества плоских дес]х-ктоп упаковки. Получена концентрационная зависимость ширины

запрещенной зо..... п области структурного перехода н положения отщепленной

верхней ватентной зоны.

-исследована концентрационная зависимость ушнрения линии экситонного отражения в ТРП /.г.ОЮе во всей облает концентраций. Показало,что уширение в структурно-чнетых кристаллах ТРП обусловлено флуктуациями состава. Обнаружено дополнительное уширение линии экситонного отражения в области структурного перехода, которое обьясняется влиянием структурного беспорядка, вызванного нашчнем дефектов упаковки. Показано, что существующая теория локатизаппи эксишпоп случайным одномерным потеннналом удовлетворительно кошпествеино опнсынает жепернчептаи.пые данные.

—обнаружено сильное увеличение полуширины линии эксптонной люминесценции и увелтнвшощийся с концентрацией дефектов упаковки стоксов сдвиг максимума люминесценции относительно дна экситонной зоны в ТРП 7пСс15с и ZnMgS в области структурного перекода. Показано, что эти явления могут быть обусловлены локализацией экситонов на плоских дефектах упаковки.

Достоверность и надежность результатов. Достоверность и надежностьэкспериментальных 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 экраниро.ан 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 о квантовых нитях и точках, ответственных за тушение фотолюминесценции, наблюдающееся при уменьшении размеров подобных наноструктур, влиянием встроенных приповерхносных электрческих полей.

Показано, что влияние приповерхностных полей на ФЛ КЯ яатяется 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 распределния электрического поля в прнконтактной области полупроводниковых структур, использующий КЯ, расположенную на 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 гетеросгруктур.

Данные об области концентраций и характере протекания коцентрационного • структурного перехода сфалнт - вюрщгг важны для нужд практического материаловедения . Данные спектральных исследований излучатсльных свойств ТРП гпМйБ и гпСЖе оценки эффективности работы полупроводниковых лазеров с электронной накачкой на их основе, разработки излучатсльных элементов люминесцентных экранов. Отдельно можно выделить полученные данные о перспективной для практического применения системе ТРП гпМ^Б , на основе которой возможно создание лазера, работающего в ближнем ультрафиолете с длиной волны до 300 им. Разработанная теория п общий подход к экспериментальным исследованиям особенностей экстонных спектров обусловленных детам упаковки имеет важное значение и для других систем кристаллов , в которых возможно их образование ( А3В6, А'В7 ).

Основные положения, выносимые па защиту:

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

2. При изменении толщины барьерного слоя, отделяющего квантовую яму в системе ваАх/АЮаЛ? ог поверхности, полученной травлением и пассивированной Ка2$, на низкотемпературную экептонную ФЛ ПКЯ обнаружен длинноволновый сдвиг и тушение линии ФЛ. Установлены зависимости этих эффектов от толщины приповерхностного барьерного слоя, ширины квантовой ямы, интенсивности фотовозбуждеппя и температуры кристачла.

3. Анализ совокупности экспериментальных данных с учетом различных возможных механизмов взаимодействия состояний 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 ушнрения экситонных линий в спектрах отражения структурно чистых ТРП 7пСс15е может быть удоатетворительно обьяснена в модели взаимодействия экситопов с крупномасштабными флуктуациями состава твердого раствора. Обнаружено дополнительное ушнренне экситонных линий в области структурного перехода сфалерит - вюртцпт, которое может бьггь объяснено на основе модели взаимодепстьмя экептонов с плоскими дефектами упаковки.

5. Обнаружена концентрационная зависимость ушнрения линии экентонной люминесценции и стоксова сдвига ее максимума относительно дна экентонной зоны в ТРП /.пСсВе и 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 композиционной и структурной разупорядоченности.

Апробация_цпГоты, Основные результаты диссертации докладывались на 12

Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев,1990), 13 Международной конференции по твердому телу Европейского физического общества (Реп:псбург,1993), 3 Международной конференции по оптике экептонов в квантово-размерных аруктурах (Монпелье, 1993), 17 Международной конференции по дефектам в полупроводниках (Гмюцден',1993), Весенней сессии Европейского общества по исследованию материалов (Страсбург, 1993). Результаты так же

докладывались на научных семинарах Университетах г.Регенсбурга, г.Мюнхсна , г.Саита-Барбара и др., а так же в С.-Петербургском Государственном Университете, ФИЛИ им.П.НЛебедева и на семинарах в ФТИ.

П)й1ШК8ШШ. По материалам диссертации опубликовано 6 научных статей в отечественных зарубежных изданиях. Основные результаты опубликованы также в тезисах 5 отечественных и зарубежных конференций. Список публикаций приведен в конце автореферата.

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность изучения процессов влияния поверхности на фотолюминесценцию приповерхностных квантовых ям и исследования влияния

композиционной и структурной разупорядоченности твердых растворов полупроводников А2, В6 на экономные спектры. Приведен план последующе!« изложения.

Первая часть диссертации состоит нз трех глав и посвящена исследованию приповерхностных

КЯ А^В5.

Г.'Шва_1,1 "Спектроскопия приповерхностных КЯ как метод исследования

взаимодействия поверхности с размерно-квантованными состояниями в наноаруктурах" носит обзорный характер.

В §Ь2 приведены общие сведения об оптических свойствах ннзкоразмерпых структур - квантовых ям, квантовых нитей и квантовых точек. Показано, что с уменьшением размеров наноструктуры возрастает роль ограничивающих ее интерфейсов или поверхностен, что приводит к резкому падению эффективности излучагельнон 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 нн<|юрмативным - методом исследования влияния поверхности на размерно-квантованные состояния. Благодаря тому, что к настоящему времени достаточно хорошо изучены оптические свойства КЯ, расположенных глубоко в обьеме 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 локатьнын оптический датчик, несущий информацию как о свойствах самой поверхности, так и о свойствах приповерхностном области полупроводника. При этом взаимодействие КЯ-новерхноегъ исследуется в максимально простой дтя интерпретации геометрии опыта,

когда КЯ расположена параллельно поверхности структуры. В обзоре основное внимание уделено изложению различных теоретических моделей влияния поверхности, выдвинутых рагтичными авторами для объяснения экспериментальных результатов. Показано, что основными факторами влияния поверхности на излучагельную рекомбинацию блнзрасположенных квантованных состояний являются процессы туннелировання носителей на поверхностные состояния и приповерхностное электрическое поле. Покачано, что для надежного выбора тон пли 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 цели н задачи работы.

Глава _ 1.2 посвящена описанию пспользоваых в диссертационной работе экспернментатьных методов нссследованпя приповерхностных КЯ СаЛх/ДЮаАх.

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

В §2 подробно изложен разработанный нами метод характеризацип различных пост-ростовых обработок поверхности гетероструктур Л^В^ с помощью спектроскопии приповерхностных КЯ. Метод основан на использовании |радпентных структур с набором КЯ различном ширины, выращенных молекулярно-пучковоп эннгакеиен на печатающейся подложке. Структуры были выращены в ФТИ в ¡руппе В.П.Пнтихпева. 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 рефлектометр! ш. Дтя приближения поверхности к КЯ нами использовалось травление структуры в полирующем сильно разбавленном травптеле в результате которого поверхность вдвигается вглубь образна плоско-паралельным переносом. В эксперименте варьирование расстояния от КЯ до поверхности осуществляется простым перемещением лазерного пятна по поверхности образца с последовательной решстранпей спектров ФЛ. Опенка расстояния от поверхности до КЯ возможна (с точностью до IО А) непосредственно из анализа спектров ФЛ по энергетическому положению пиков ФЛ КЯ, отражающих изменение толщины структуры. Таким способом приготовленные образцы позволяют исследовать изменения свойств поперчноои п приповерхностной области под воздействием различных пост-ростовых обработок ( нонно-плазмениое травление, поверхностная пассивация, ионная бомбардировка, последующее эмигаксиалыюе наращивание и т.п.), использующихся при нрпюювленпн наноструктур н мнкроэлектронных приборов. При этом пре;па1асм1.1п метод позволяет свести к минимуму фактор неконтролируемого ра!броса СВ0ЙС1В поверхности, который играет существенную роль в ранее

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

В Главе 13 "Экситонная фотолюминесценция приповерхностных КЯ СаАв/АЮаАв" изложены результаты экспериментального исследования взаимодействия КЯ-поверхность 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 Ка25 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 наабарьерном фотовозбужденин мощностью 100 Вт/см^ эти эффекты начинают проявляться на достаточно больших расстояниях от поверхности ё-ЗООА, что существенно превосходит характерные пространственные масштабы взаимодействия КЯ-поверхность, проявляющихся в различных туннельных моделях (<150А). При этом наблюдается длинноволновый сдвиг и гашение ФЛ не только

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

2). Характерные расстояния (с1—ЗООА), при которых поверхность уже заметно воздействует на ФЛ ПКЯ, одинаково проявляются как в длинноволновом сдвиге &Е, 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 с1, достигая для ямы 50А величин 12 мэв и 10"4 соответственно. При малых расстояниях (1<100А 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, - изгиб зон, е1М- 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 Шгарк-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-размерного Штарк-эффекга 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 усреденением 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 э13, что говорит об эффекте выполажнпання зон при фотооблучешш. Концентрация обьемного заряда в обедненном слое N~2*1017 см -1 существенно превышает уровень легирования исследовавшихся образцов мелкими примесями ~1015-1016 см-3, что может быть связано с процессами оптической перезарядки глубоких центров, проявляющихся при высокой интенсивности фотовозбуждения.

В §2 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 обьяснено, как результат пцдуцированного полем туннелировання носителей из КЯ через перекошенный электрическим полем барьер с последующей безызлучателыюй рекомбинацией в барьере или на поверхности.

§4_ посвящен изложению экспериментальных зависимостей наблюдаемых эффектов от интенсивности фотовозбуждеиия. Показано, что зависимость интенсивности люминесценции КЯ от пнтенснвкостн фотовозбуждения суперлнненна вплоть до мощностей -200 Вт/см2, что характерно для систем с большой ролью безызлучательных процессов. Отсутствие нелинейного участка при больших накачках указывает на несущественность процессов заполнения КЯ избыточными носителями одного знака. Выполненные измерения величин длинноволнового сдвига дЕ(ё) для меньшей интенсивности фотовозбуждения ~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*I016cm'3 - параметры экранирования оказались промежуточными между темповым случаем (0.9 эВ н 1015см-3) 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 эс|)фект может быть объяснен увеличением напряженности приповерхностного электрического ноля при увеличении температуры кристалла.

В §5 сформулирована предлагаемая модель влияния поверхности на ФЛ ПКЯ, основанная па учете изгиба зон и квантово-размерного Штарк-эффекта. В заключении главы сформулированы основные выводы.

Втораячасп. диссертации посвящена исследованию особенностей экономных спектров твердых растворов полупроводников А2В<> с дефектами упаковки.

Глава И.1 носпг обзорный характер. Здесь обсуждается кристаллография де(|>ектоа упаковки и соедппеннях и твердых растворах Л2В<>. Кристаллически структура гексагональных п кубических крнстачлов Л2В'> отличается расположением лишь фетьего слоя п.тогнейшен упаковки и полому энергетические различия этих структур печначше.тьмы и возможно образование слоев, уложенных "неправильно" по сравнению с совершенной решеткой - дефектов упаковки (ДУ). Энергия их образования досгочно мата (например для /п.8 < 6 мэВ/аюм) и введение даже мшого количества примесей, искажающих решетку, приводит к резкому возрастанию концентрации ДУ. В ТРИ Л-В0, в коюрых крайние бинарные соединения кристаллизуются и различных модификациях - сфалерит и июрщит (к ним относятся н исследуемые в настоящей работе ТРИ /пСУЯе н У.пМ^гХ) также происходит образование ДУ и определенной области промежуточных концентраций замещающей компоненты. В кристаллах, выращенных и) расплава, ДУ располагаются преимущественно вдоль одной из четырех осей третьего порядка, что приводит к появлению оптической анизотропии. При этом двулучепреломлеппе кристалла Дп оказывается прямо зависящем от концентрации ДУ Ы. (с£ - относительная доля гексагональных слоев к нреимущестеино кубическом кристалле), что позволяет достаточно просто коифолнроваи. концентрацию ДУ в эксперименте. Кристаллы с ДУ можно рассматривав как промежуточные состояния структурного ф.нового перехода сфалерит (/,В) - шортиш (\\г). Оказывается, что в ТРИ концентрация ДУ рС зависит ог концентрации х замещающей компоненты п можно говорим, о концентрационном стру ктурном переходе.

Отдельно обсуждаются резулмаш эксперимснтн.ных исследовании влияния дс(|>ектов упаковки па экспгопные спектры отражения в содпиемиях /\-В(' и их твердых растворах. Рассмотрены растпчные теоретические оннсання э<|х|>ск10к неоднородного уишреиня линии зкемгоннмх переходов, связапнного с процессами локализации и рассеяния жетонов в ноле случайного шненнмали. вызванного наличием композиционно!! и струкутурном разунорндоченносш. В заключении главы сформулированы основные иелн и задачи исследования.

Птаид__П,2 ноет методический характер. И пей рассмофен вопрос приготовления и характершашш образцов ТРИ для спектроскопических исследованиГ| и приведено описание основных экспернменгачьныч установок для исследования экснюиных спею рок в видимой п ближней улмрафнолстоной обметчч сиек1ра.

Глава II.3 посвящена исследованию особенностей эксптонных спектров ТРИ ZnCdSe и /.nMji.S с конкснтрационым структурным переходом сфалерит - пюрщнт.

§1 посвящен исследованию концентрационной зависимости спектров экономного отражения и системе Tl'II ZnxCdj_xSe. При исследовании эксптонных спектром огражеими было обнаружено, что для составов 0<ч<0.7 спектр состоят in трех основных поляризованных линии, соошететвующмх переходам (Г,;-Г7) - экспгон п=1Д с поляризацией 1:-lc (с - оптическая ось кр.1сталла), 0V~v)l " -'кентоп 11=1 В с преимущественной поляризацией F.llc и (IГ7)|- неполярнзонанная линия экситопа п=)С. Подобная структура зон характерна для одноосного кристалла. При этом величина расщепления дАВ растет до 36.8soIi с увеличением концентрации х до 0.5, что отражает монотомное вофастание анизотропного кристаллического поля симметрии Cfn . При больших концентрациях твердого раствора и области 0.5<х<0.7 наблюдается peiKoe уменьшение расщепления ДАВ н прм х>0.7 линии А и В экентопов по'шосм.ю сливаются в одну ненолярнзованную линию, что отражает зонную структуру, характерную дтя кубического кристмла. Т.о. сделан вывод, что область концентрации 0<х<0.5 соответствует области образования кристаллов гексагональной модификации, область 1.0>х>0.7 - стабильной кубической структуре, а в области 0.5<х<0.7 происходит структурный переход ZB - W с образованием большого количества ДУ. По положению 'жеитонных линий в спектре отражения быта раечнтана не известная ранее зависимость ширины запрещенной зоны в области структурное перехода и зависимость энергетического зазора между зоной проводимости и верхней валентной зоной, отщепленной одноосным кристаллическим полем (переход (Г7-Г7)|) для всей области концентрации. При этом оказалось, что для гексагонального кристалла зависимость квадратичная, тогда как для области структурною перехода линейная.

Исследование копцеитаршюниой зависимости спектров экситониого отражения кристаллов ZnCdSe кроме того похазало, что линии эксптонных переходов испытывают заметное уншренне. Гак ширина липни А-экситона растет к экипмолярпым 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 5-6мэВ, наблюдается довольно значительное дополнительное ушнренне в области структурного перехода 0.5<х<0.7 достигающее величины 9мэВ. Интерпретация наблюдаемого упшрения в области структурно чистых ТРП была проведена нами на основе теоретических работ АЛ.Эфроса с сотрудниками, которые показали, что случайный статистическим характер замещения атомов в соответствующей подрешетке твердого раствора приводит к флуктуациям кристаллического поля и появлению хвостов плотности локализованных состояний в запрещенной зоне п рассеянию делокализованных возбуждений. При этом если радиус локализации экентона Кд меньше его боровского радиуса ав, то возможно использование модели, учим.тающем взаимодействие только электрона с потенциалом

флуктуации коцентрацпи. Полуширина экснтонной линии описывается в этом случае формулой:

где с^ =с11:сЛ1х. В пределах экспериментальной погрешности формула (2) хорошо описывает экспериментальные данные по ушреншо линии экептонного отражения для СгруК1урНО-ЧНС1ЫХ СОС1ЛВ0В.

Исследование э(1х]х:ктов ушпрения экентонных лшшп и системе ZnCd.Se, вызванною присутствием ДУ, осложнено тем, что в области структурного перехода ожидайся максимальное уишрепне, вызванное трехмерной композиционной разунорядоч«нгостью. Кроме того при уменьшении расщепления ДАВсЮмэВ не удается разрешить сильно уширенные линии А п В экептоиов. Однако проведение шинельных поляризационных измерении позволило выявить дополнительное упшренне линии п=1Л в этой области, вызванной ДУ. Интерпретация этого эс|хректа была проведена на основании теоретических работ Л.Ю.Маслова в рамках теории локализации экстонов одномерным беспорядком. Действительно кристаллы с плоскими ДУ, расположенными преимущественно перпендикулярно оптической оси можно рассматривать как систему с одномерным беспорядком, поскольку чередование плотпоупаковапных слоев различной модификации меняется хаотически вдоль оси. Решение такой одномерной задачи приводит к следующей формуле, описывающей ушнренне линии экептопного перехода дтя случая П(д<ав :•

При этом ушнренне экептонной лшшп, обусловленное совместным влиянием трехмерного композиционного н одномерного структурного беспорядков определяется фомулон:

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

§2 и §3 посвящены исследованию экситоннон люминесценции ТРП /лСЖе и ХиМгБ. В спектре излучения ТРП ZnCdSe при Т=2К наряду с характерными для бинарных соединений линиями экентонных комплексов 1| и 12 (экситоны, связанные на нейтральном акцепторе п 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 лшшп н се полуширина увеличиваются к эквнмолярным составам. При этом линия во всем диапазоне структурно-чнстых составов оказывается примерно в 2 раза уже линии экситонпого отражения. Этот факт ярко свидетельствует о неоднородном характере

(3)

(4)

ушпрення основного состояния. В области структурного перехода наблюдается резкое увеличение полупшрпны с! линии до 6-8мэВ, которая уже приближается к ширине линии отражения в этой области, что говорит о сильном влиянии структурной разупорядоченности. При сопостаапенип спектров отражения и люминесценции обнаружено, что максимум линии ^ сдвинут в длинноволновую сторону относительно точки перегиба дисперсионной кривой отражения, причем этот стоксов сдвиг ДАЬ нарастает к эквимолярным составам до величины 4мэВ. При этом обнаружена прямая пропорциональность величин ДАЬ, <31ь и Г во всей области концентрации, причем коэффициент пропорциональности одинаков для структурно-чистых составов 7.В и W модификации и изменяется в области структурного перехода.

Спектры катодолюмннесценцпи ТРИ ХпМ?^ полученные при Т=35К состоят для каждого значения х из одной неоднородно уширенной линии получения, максимум которой располагается в области дисперсионной кривой отражения. С ростом х происходит уширение линии люминесценции и увеличение стоксова сдвига максимума относительно резонансной частоты экситона. Область структурного перехода в этой системе приходится на составы 0<х<0.12 , в середине которой , при х=0.05б (Л=0.5) наблюдается максимальное значение полуширины линии люминесценции и величины стоксова сдвига. Дальше, с увеличением х до 0.12 и изменением сС 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 7пСс1$е, отмечается взаимозависимость величин Г -ширины линии экентонного отражения, 61|_ - ширины линии люминесценции и ДАЬ - стоксова сдвига максимума линии люминесценции относительно резонанса 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 экситонной зоны, вызванным как трехмерной композиционной разупорядочснностыо ТРП, так н одномерной структурной. Развитие этих представлений дня описания процессов люминесценции были развиты Ю.А.Масловым (краткое описание дано в приложении). Наличие потенциальных ям, вызванных флуктуациямн состава и дефектами упаковки, создает дополнительный, по сравнению с бинарными соединениями, канал захвата и излучения экентонов, конкур!фующнп'с каналами захвата на нейтральные доноры, акцепторы и центры безызлучательной рекомбинации. Эффективность этого дополнительного канала естественно растет с числом потенциальных ям, способных локализовать экентон при увеличении степени смешивания твердого раствора. Этот факт объясняет появление линии 1[_ , отсутсвующен в спектрах бинарных соединений, и быстрый рост ее отноаггельной интенсивности. При низких температурах (ДА1»кТ) предача возбуждений между экситоннымн состояниями в хвосте плотности локализованных экентонных состояний

происходит' с испусканием акустического фенона, при этом релаксация возбуждении ио хвосту происходит до тех пор, пока вероятность передачи не сравняется с вероятностью их нзлучательного расиача. Очевидно, что именно этой энершн бу;шг соответствовать максимум интенсивности излучения, при этом линия нхчучснпя оказывается сдвинутой в длинноволновую область относительно дна зоны. В глубине хвое i а плотность состоянии мала и процессы передачи энершн малоэффективны, поскольку увеличивается среднее рассстоянпе между нотенцн.пьнымп ямами. Эти рассуждения приводят к выводу о том, что стоксов сдвиг максимума липни 1ц относительно дна экентопнои ioiii.i должен быть пропорционален характерной для данной величины беспорядка энершн, описывающей величину хвоста плотности состоянии (формулы 2-4).

ОСНО.ЩЬН: 1\1:ЗУЯЬТАШ и^ иыЦОДЬ* _РЛноты

_!, Разработан метод характернотцни различных ноет- ростовых обработок-новерхностн тете ростру.мур Л-'В' , использующий клинообразные эпнтакснатьные образцы с набором КЯ различной ширины и позволяющий варьировать в наномаспггабе расстояние ог КЯ до поверхности структуры. ФЛ приповерхностных КЯ в этом методе используется как .воеобразмыи оптически!! пробнпк влияния новерхностн, что позволяет исследован, приповерхносшую область полупроводника после обработки и получить информацию, важную для оптимизации техполошческою процесса (расп|)сдслеш1е внедренных и результате обрабогкп примесей н центров безызлучаге.чыюп рекомбинашш, качества поверхностной пассивации и т.н.). Но эиерютпчсскому положению пиков ФЛ КЯ возможно определение расстояния от КЯ до поверхности в данной точке образна с точностью до ЮЛ. Предложенный метод позволяет снести к минимуму нлпяппе неоднородности свойств поверхности и свойств образна, которое ентьно проявляется при нснользовании методики, основанной на исследовании серии образцов с различным расстоянием между КЯ и поверхностью.

2, "Окснсриментатьное 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 50Л) и тушение (до 10"*) линии ФЛ при толщинах барьера, меньших 300А. Установлены зависимости длинноволнового сдвига от ширины барьера и ширины ямы, от интенсивности (¡юговозбуждення, а также от температуры.

3, Предложена полевая модель влияния новерхностн на размерно-квантованные состояния в КЯ, которая позволила объяснить всю совокупность экспериментальных данных. В рамках этой модели механизм влияния поверхности на ФЛ квантовых ям определяется квантово-размерным Штарк эффектом, связанным с приповерхностным изгибом зон. Тушение ФЛ объясняется индуцированным электрическим нолем туннелироваинем носителей из квантовой ямы, их дрейфом и безызлуча!елыюй рекомбинацией на поверхности.

4, Величина приповерхностного электрического поля, действующего на КЯ, изменяется при изменении интенсивности фотовозбуждения или изменении температуры кристалла, что п проявляется в изменении величины штарковского сдвига линий 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 экситонного отражения исследована эволюция зонной структуры ТРП 7пхС(11.х5е, крайние составы которого кристаллизуются в различных решетках -сфалерита (ЗМе) и вюртцита (Cd.Se). 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 концеиграционная зависимость ширины запрещенной зоны в области структурного перехода и положения отщепленной анизотропным кристаллическим полем верхней валентной зоны в ТРП ZnCdSc во всей области концентраций. Показано, что для области структурно- чистых ТРП характерна квадратичная зависимость энергии зон от концентрации твердого раствора. Область структурного перехода характеризуется линейными концентрационными зависимостями.

6, Экспериментально исследована концентрационная зависимость уширеиия линии экситонного отражения п=1А в ТРП ZnCdSe. Показано, что в структурно-чистых кристаллах ТРП концентрационная зависимость уширеиия обьяснястся влиянием композиционной разупорядоченностн твердого раствора и может быть описана в рамках модели локализации н рассеяния экентонов на флуктуацнях состава твердого раствора. В области структурного перехода в ТРП ZnCdSe обнаружено дополнительное уширенне лнннн экситонного отражения. Показало, что увеличение ширины экситонной линии в этой области составов обусловлено как композиционной, так и структурной разупорадоченностью твердого раствора. Наблюдаемая экспериментально зависимость уширеиия линии экситонного перехода п=1А может быть хорошо описана в рамках модели локализации и рассеяния экентонов на плоских дефектах упаковки.

Ъ При исследовании люминесценции двух систем ТРП А2В5 ZnCdSe и со структурным переходом обнаружено концентрацнонно-завнеимое уширенне линии экситопной люминесценции. Сравнение спектров отражения и люминесценции позволило установить неоднородный характер уширеиия линий экситонных переходов и обнаружить стоксов сдвиг линии экентонной люминесцеишш относительно экситонного резонанса, величина которого увеличивается при продвижешш к эквимолярпым составам. Обнаружено увел1счение полуширины линии экситонной люминесценции и величины стоксова сдвига в ТРП ZnCdSe и гпЛ^ в области

IS

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

К, Наблюдаемые явления могу быть обьяснены в рамках модели взаимодействия экситонов с трехмерным композиционным и одномерным структурным беспорядком. Концентрационные зависимости параметров экситонного отражения и люминесценции, с этих позиций, обьясняются образованием протяженных вглубь запрещенной зоны хвостов плотности локализованных экситоиных состояний. Стоксов сдвиг в рамках этой модели объясняется процессами спектральной и пространственной миграции возбуждений по хвосту плотности локализованных состояний, протяженность которого определяет величину неоднородного уширення линий экситоиных переходов. Дополнительное уширение экситоиных линий и величины стоксова сдвига в области структурного перехода может быть объяснено появлением дополнительного протяженного хвоста плотности состояний экспгонов, локализованных на плоских дес[х:ктах упаковки.

_Сп "со к_ публикаций.! 1о темслисссрга шш

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

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

3. A.S.Nasibov, P.V.SIiapkin, J.V.Korostelin, J.A.VIasov, L.S.Markov, A.I.Maslov, D.L.I-edorov "Spectroscopic investigations of semiconductor solid solutions with structural phase transition (ZnCclSe system)" // Solid State Comm.,l99l,v.78,No.6,pp.52l-.'i23.

4.В.11.Лслратов, Ю.Л.Власов "Экситонная люминесценция приповерхностных GaAs/AlGaAs квантовых ям" Ф'ГП, 1993, т 27, вын.7, стр. 1101-1110.

5. Astratov V.N., Vlasov Yu.A. "Exciton spectroscopy of near-surface GaAs/AlGaAs quantum wells - the new method of band bending investigation" // Material Science l-omm, 1993, v.143-147,part I, p.599-(>03.

6. Astratov V.N., Vlaso\Yu.A. "Photoluminescence observation of quantum confined Staik effect caused by bind bending near the surface of etched structuies with GaAs/AlGaAs wells." //Journal de Physique, 1993, v.3, Colloque 5, No.IO, p.277-281.

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

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

9. Astratov V.N., Vlasov Yu.A. // Abstract book of OECS-3 Conference, 30 Aug.-2 Sept. 1993, Montpellier, France, p.56

10. Astratov V.N., Vlasov Yu.A. // Abstract book of EMRS-93 Spring Meeting.4-7 May 1993, Strasbourg, p.l 12.

11. Astratov V.N., VlasovYu.A. // Abstract book of 13th General Conference of the CMD EPS (European Conference Abstracts v.17A), 29 March - 2 Aprill993, Regcnsburg, Germany, p. 1432.