Спектроскопия фотоотражения полупроводниковых структур на основе арсенида галлия и фосфида индия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

БОКОВ Павел Юрьевич

СПЕКТРОСКОПИЯ ФОТООТРАЖЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ И ФОСФИДА ИНДИЯ

Специальность 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2005

Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

доцент Л.П. Авакянц, физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор А.Э. Юнович, физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова; доктор физико-математических наук, профессор B.C. Горелик, Физический Институт им. П.Н. Лебедева РАН

Ведущая организация: Центр Естественно-Научных исследований

Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН

Защита состоится 21 декабря 2005 г. в 15.00 часов на заседании Диссертационного совета Д501.001.45 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, Ленинские горы, ГСП-2, НИИЯФ МГУ, 19 корпус, аудитория 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ Автореферат разослан « 4<8 » ИМЯ. 2005 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д501.001.45 Доктор физико-математических наук

*

Шк 1103153

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Полупроводниковые структуры на основе арсенида галлия и фосфида индия являются интересными объектами для фундаментальных исследований и широко используются для создания фотодетекторов, оптических модуляторов, мощных и сверхбыстрых транзисторов и других приборов опто - и наноэлектроники. Актуальность исследования такого рода структур оптическими методами обусловлена тем, что основные тенденции современной электроники направлены на создание полупроводниковой приборов с размерами порядка нескольких нанометров. Диагностика таких приборов традиционными методами (например, эффект Холла) оказывается затруднительной.

В последнее время при исследовании полупроводниковых структур все большую популярность приобретают методы модуляционной спектроскопии, особенно, электро- и фотоотражение (ФО). Метод ФО позволяет бесконтактно определять величины встроенных электрических полей и особенности их пространственного распределения в полупроводниковых структурах, давать оценки концентрации носителей. Метод спектроскопии ФО особенно интересен для исследования квантово-размерных эффектов в полупроводниковых структурах, так как он позволяет определять энергии межзонных переходов даже при комнатной температуре.

Необходимые электрофизические параметры полупроводниковых приборов создаются посредством легирования. Ионизированная примесь и пространственная локализация носителей приводят к появлению дополнительных встроенных электрических полей, которые модифицируют профиль квантовых ям, что приводит не только к изменению энергетического спектра электронов и дырок, но и к изменению вероятностей межзонных переходов. Неконтролируемое изменение энергетического спектра электронов и дырок в такого рода структурах возможно также в ходе экспериментальных исследований. Последнее указывает на важность разработки бесконтактных маловозмущающих методов исследования полупроводниковых структур.

I РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I ( библиотека I

Цель диссертационной работы: исследовать особенности фотоотражения в легированных полупроводниковых структурах на основе ОаАв и 1пР, а также в полупроводниковых квантовых ямах на основе СаАэ/АЮаАз, для чего разработать методику регистрации спектров фотоотражения с минимальным воздействием зондирующего излучения на исследуемые структуры. Положения, выносимые на защиту:

1. Особенности спектров ФО, обусловленные электрической активацией примеси в ионно-легированных 1пР и ОаАз могут проявляться как в виде осцилляций Франца-Келдыша, так и в виде переходов с участием акцепторного уровня, в зависимости от энергии активации акцептора.

2. Обнаруженные в спектрах ФО легированных кремнием пленок ваАБ осцилляции Франца-Келдыша двух различных частот связаны с вкладом в спектр сигналов от приповерхностной области пространственного заряда и границы раздела «легированная пленка п-ваАБ - полуизолирующая подложка ваЛв».

3. Полученные из спектров ФО энергии межзонных переходов нелегированных гетероструктур с квантовыми ямами ОаАз/АЮаАэ соответствуют рассчитанным в рамках модели огибающей волновой функции для прямоугольного потенциала с учетом правил отбора по четности.

4. Основным механизмом уширения спектральных линий ФО, связанных с межзонными переходами в области квантовой ямы СаАя/АЮаАз является пространственная неоднородность гетерограниц.

5. Расщепление линий в спектрах ФО двойных квантовых ям связано с взаимодействием одиночных квантовых ям через туннельно-прозрачный барьер А!Аз. Величина расщепления уменьшается с ростом толщины барьера А1АБ и увеличивается с ростом энергии уровня в квантовой яме.

Практическая ценность работы:

1. Данные, полученные из спектров ФО ионно-легированных 1пР и СаАэ, могут быть использованы для выбора оптимальных режимов отжига при ионном легировании.

2. Результаты исследования модулировано легированных структур с квантовыми ямами на основе GaAs/AlGaAs методом ФО, и их интерпретация на основе самосогласованного решения уравнений Шредингера и Пуассона позволяют получать информацию об изменении заселенности подзон размерного квантования, что может быть использовано при разработке прототипов НЕМТ транзисторов.

3. Методики, предложенные в диссертации, могут быть использованы для бесконтактного неразрушающего контроля оптических (ширина запрещенной зоны, энергии межзонных переходов в квантово-размерных структурах) и электрофизических (величины и пространственное распределение встроенных электрических полей, величина поверхностного потенциала, концентрация носителей) параметров.

Апробация работы. Основные результата диссертации докладывались на: международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 99», г. Москва, 1999; Всероссийской научно-технической конференции «Микро - и нано — электроника 2001», г. Звенигород, 2001; 1-ой Российской конференции молодых ученых по физическому материаловедению, г. Калуга, 2001; 2-ой международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика 2001», г. Санкт-Петербург, 2001; 19th Condensed Matter Division conference, Brighton, 2002; международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 2002», г. Москва, 2002; конференции «Оптика, оптоэлектроника и технология», г. Ульяновск, 2002; Conference on Lasers, Appiications, and Technologies 2002 (LAT-2002), г. Москва, 2002; 8-ой международной конференции «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V», г. Томск, 2002; 4-ой Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников, полупроводниковой опто- и наноэлектронике., г. Санкт-Петербург, 2002; Всероссийской научно-технической конференции «Микро - и нано - электроника 2003», г. Звенигород, 2003; международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика 2003», г. Санкт-Петербург, 2003; международной конференции студентов и аспирантов

«Ломоносов 2004», г. Москва, 2004; International Workshop on Modulation Spectroscopy of Semiconductor Structures, Wroclaw, 2004; на 20th General Conference Condensed Matter Division EPS, Prague, 2004; 6-ой молодежной конференции no физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, г. Санкт-Петербург, 2004; 13th European Molecular Beam Epitaxy Workshop, Grindenwald, 2005; международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью 2005», г. Звенигород, 2005 Публикации. По материалам диссертации опубликовано 26 научных работ. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 102 наименования. Работа содержит 132 страницы, в том числе, 50 рисунков и 7 таблиц.

Содержание диссертации

Во введении сформулированы актуальность, цель и практическая значимость работы. Приводятся основные положения, выносимые на защиту. Реферативно изложено содержание работы.

Первая глава является обзорной. В § 1.1 описывается эффект Франца-Келдыша, который является основой метода спектроскопии ФО. В § 1.2 рассматриваются два типа спектров ФО: низкополевой и среднеполевой. В § 1.3 описываются основные методы анализа многокомпонентных спектров ФО: анализ модуля изменения коэффициента отражения, фазочувствительный анализ, анализ среднеполевых спектров с применением преобразования Фурье. В § 1.4 изложены основные трудности спектроскопии фотоотражения.

Вторая глава посвящена методике эксперимента. В § 2.1 содержится описание основных оптических схем, используемых для регистрации спектров ФО.

В § 2.2 предлагается методика регистрации спектров ФО с применением двойного монохроматора, позволяющая минимизировать воздействие на образец зондирующего излучения, и засветку фотоприемника рассеянным модулирующим излучением. Регистрация спектров осуществлялась с помощью монохроматора МДР-6, в который была вмонтирована дополнительная входная

щель. Модуляция отражения осуществлялась либо He-Ne лазером на длине волны 632.8 нм (мощность 1 мВт) либо узконаправленными светодиодами типа СДК с длинами волн 470 нм, 530 нм, 590 нм и 650 нм. Мощность излучения светодиодов не превышала 1 мВт. Модуляция осуществлялась механическим прерывателем. Частота модуляции составляла 370 Гц. Спектры регистрировались при комнатной температуре.

Так как изменения коэффициента отражения AR/R при фотомодуляции составляют 10'5 - 10"4, то для регистрации спектров ФО нами был разработан малошумящий фотоусилитель. Фотоусилитель представляет собой преобразователь «ток - напряжение» с нулевым смещением на фотодиоде и дополнительной коррекцией амплитудно-частотной характеристики.

В качестве обоснования предлагаемой оптической схемы приводятся спектры ФО образцов, зарегистрированные в разных конфигурациях экспериментальной системы. Показано, что в спектрах ФО, зарегистрированных в оптической схеме с применением двойного монохроматора улучшается соотношение «сигнал/шум» и уменьшается ширина спектральных линий. Это связано с уменьшением воздействия на образец зондирующего излучения.

Параграф 2.3 описывает особенности программного обеспечения, разработанного для анализа спектров ФО.

В § 2.4 приведено описание экспериментальной установки для регистрации спектров комбинационного рассеяния света. Спектры регистрировались в геометрии обратного рассеяния на автоматизированной установке на базе двойного монохроматора ДФС-12. Спектральное разрешение составляло 2 см"1. Возбуждение рассеяния осуществлялось Аг+ лазером на длинах волн 488.0 и 514.5 нм. Во избежание сильного разогрева образцов, мощность возбуждающего излучения не превышала 100 мВт. Спектры регистрировались при комнатной температуре.

В третьей главе рассматриваются особенности ФО легированных InP и

GaAs.

В § 3.1 представлены результаты исследования ионно-легированного 1пР. Нами исследовались образцы 1лР с ориентацией поверхности (100). После механической полировки и химического травления полупроводниковые пластины имплантировались ионами бериллия с энергией 100 кэВ и дозой 1013 см" 2. Далее образцы подвергались термическому отжигу в течение 10 секунд при температурах от 300 °С до 800 °С.

В спектре ФО неотожженного образца (рис. 1) спектральные линии в области фундаментального края поглощения 1пР отсутствуют. При температурах отжига от 300 °С до 700 °С в спектрах наблюдаются линии, связанные с фундаментальным переходом 1пР Ег=1.34 эВ и переходом между зоной проводимости и отщепленной подзоной валентной зоны Е8+ДМ)=1.44 эВ в силу

спин-орбитального взаимодействия. По мере увеличения температуры отжига растет

интенсивность этих линий и уменьшается их ширина. Это может быть связано с

восстановлением разрушенной в ходе имплантации ионов кристаллической

Рис. 1. Спектры ФО 1пР имплантированного ионами Ве+ с структуры 1пР.

дозой 1013 см-2 и подвергнутому 10 секундному Рассматриваемые

термическому отжигу при температурах от 300 до 800 °С

спектры ФО имеют вид,

характерный для низкополевого случая, и могут быть описаны формулой Аспнеса:

—(£) = Ие

А-е1(р ■\На)-Е1 +1'Г

-т

(О

где А, <р - амплитудный и фазовый параметры, hco - энергия зондирующего излучения, Е, - положение спектральной особенности, Г- параметр уширения, т - параметр, определяемый видом критической точки.

Для образца, подвергнутого отжигу при температуре 800 °С спектр ФО в области фундаментального перехода представляет собой осцилляции Франца-Келдыша, при этом происходит скачкообразный сдвиг фундаментального края поглощения на 27 мэВ в сторону меньших энергий. Появление осцилляций и сдвиг линии ФО можно связать с процессом электрической активации примеси. Величина наблюдаемого сдвига совпадает с энергией активации бериллия в InP.

Данные спектроскопии ФО коррелируют с данными спектроскопии комбинационного рассеяния света.

В § 3.2 представлены результаты исследования ионно-легированного GaAs. Нами исследовались образцы GaAs типа АГП с ориентацией (100), облученные ионами 55Мп+ с энергией 200 кэВ и дозой 5-Ю15 см'2. Плотность ионного тока не превышала 0.5 мкА/см2. После облучения ионами образцы отжигались в установке быстрого термического отжига. Отжиг происходил в потоке аргона. Для предотвращения испарения мышьяка образцы укладывались облученной поверхностью на кремниевую подложку. Диапазон температур отжига составлял от 400 до 900 °С, длительность процесса -10 с.

В спектре ФО неотожженного образца спектральные линии в области фундаментального края поглощения GaAs отсутствуют. С увеличением температуры отжига от 400 до 600 °С увеличивается интенсивность и ширина спектральной линии, связанной с фундаментальным переходом Eg GaAs. В спектре ФО образца, отожженного при температуре 700 °С происходит скачкообразное уменьшение ширины линии. Дальнейшее увеличение температуры отжига приводит к ее сдвигу от энергии 1.42 эВ до энергии 1.38 эВ и уширению. Кроме того, в спектре появляется отсутствовавшая ранее широкая полоса фотолюминесценции в области 1.42 эВ. Все рассматриваемые спектры ФО имеют вид, характерный для низкополевого случая, и могут быть описаны формулой Аспнеса (1).

Рост интенсивности линии при температурах отжига 400 - 600 °С свидетельствует о восстановлении кристаллической структуры, разрушенной в ходе имплантации ионами Мп+. Увеличение ширины спектральной линии ФО связано с тем, что Мп плохо растворяется в ОаАэ и формирует в объеме кластеры. При отжиге в диапазоне температур 400 - 600 "С большая часть имплантированных ионов остается в междоузлиях решетки (примесь не активирована). Это приводит к увеличению вероятности рассеяния носителей на такого рода дефектах и, следовательно, росту ширины спектральной линии ФО. Скачкообразное уменьшение ширины спектральной линии у образца, отожженного при температуре 700 °С, можно связать с уменьшением рассеяния носителей в ваАв, которое обусловлено образованием кластеров Мп.

Изменения в спектрах ФО при температурах отжига 800 и 900 °С можно связать с активацией примеси. В отличие от 1пР, легированного ионами бериллия, активация примеси в ваЛв, легированном ионами марганца не сопровождается появлением в спектрах ФО осцилляций Франца-Келдыша. По-видимому, это может быть связано с несколькими причинами. Во-первых, энергия активации марганца Еа > кТ (при Т = 300 К кТ - 26 мэВ, Еа » 100 мэВ). Во-вторых, в область осцилляций Франца-Келдыша попадает сигнал фотолюминесценции.

Данные спектроскопии ФО коррелируют с данными спектроскопии комбинационного рассеяния света.

В § 3.3 представлены результаты исследования легированных кремнием пленок п-ваЛв. Образцы выращивались на подожках ОаАз типа АГП методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Концентрация носителей в образцах была в диапазоне от 3.7-1016 см"3 до 7-1018 см"3.

В спектрах ФО пленок п-ваАв наблюдаются осцилляции Франца-Келдыша разной частоты и пик в области энергии 1.42 эВ. При п > 2-1018 см"3 «частота» осцилляций увеличивается с ростом концентрации носителей, при п < 7.6-1016 см"3 - их «частота» уменьшается с ростом концентрации носителей, а при 6-1017 < п < 3.4-1017 см"3 наблюдается два типа осцилляций: «низкочастотные» и

«высокочастотные». Частоты этих осцилляций уменьшаются с ростом концентрации носителей.

С целью определения источника осцилляций Франца-Келдыша в каждом образце были зарегистрированы спектры ФО при модуляции излучением с разными длинами волн. Было установлено, что низкочастотные осцилляции в спектрах ФО образцов с концентрацией носителей от 3.7-1016 до 6-1017 см'3 связаны с приповерхностной областью пространственного заряда, а высокочастотные - с границей раздела «легированный слой п-ваЛв -полуизолирующая подложка СаАя». В спектрах ФО образцов с концентрацией носителей 2-1018 см"3 и более источником осцилляций Франца-Келдыша является граница раздела «легированный слой п-ваАз - полуизолирующая подложка ОаАв».

Установлено, что с уменьшением длины волны модулирующего излучения исчезает резкая линия в области 1.42 эВ. Это подтверждает наше предположение о том, что ее источником является подложка СаАэ.

Четвертая глава посвящена исследованию энергетического спектра межзонных переходов в одиночных и двойных полупроводниковых квантовых ямах на основе гетеропары СаАз/АЮаАз.

В § 4.1 приведены результаты исследования гетероструктур с квантовыми ямами на основе ОаАз/АЮаАв. Образцы выращивались методом молекулярно-лучевой эпитаксии и представляли собой квантовые ямы ваАэ шириной 6.5, 10, 20, 26, 30 и 35 нм, помещенные между барьерами А^бао 8Аз. Толщины барьеров в разных образцах составляли 30 - 33 нм.

Линии ФО (рис. 2) в области 1.41 и осцилляции Франца-Келдыша в области 1.70 - 1.77 эВ, связаны с фундаментальными переходами ваАв, и А^гОаовАэ соответственно. Линии в области энергий 1.41 - 1.70 эВ (метки а - g на рис. 3) соответствуют низкополевой модели Аспнеса (1). В связи с тем, что с ростом ширины квантовой ямы от 6.5 до 35 нм наблюдается увеличение числа спектральных линий в этой области энергий, они связаны с переходами между

уровнями размерного квантования электронов зоны проводимости и дырок валентной зоны.

В случае прямоугольного потенциала энергии уровней в квантовых ямах зоны проводимости и валентной зоны Е, определяются из трансцендентного уравнения:

2-й2

■(У-Е1)-Е1

*

т1 ' Е;

( 1 *

\т Е\

•соя

V 2-Й2

V /

= 0(2)

ииринаКЯ 36 нм

' 9

п2 Ъ -(¥-Е>\

здесь т' - эффективная масса носителей в яме ОаАэ, т.2 - эффективная масса носителей в барьере А^СзозАб. Энергии межзонных оптических переходов в квантовой яме определяются из выражения:

(3)

где Е," - энергия г - го уровня в квантовой яме зоны проводимости, Е(и - энергия к - го уровня в валентной зоне,/=7, А для подзон легких и тяжелых дырок соответственно.

На основании рассмотренной модели произведен расчет

энергий межзонных переходов для

Рис.2. Спектры ФО гетероструктур ОаЛв/А^йа^Аз с гетероструктур с

26 нм-

£ 20 им -"Л

£С

<

' №№ г Г ]

У У г ^

.-Л,

7

13

18

Е, эВ

одиночными квантовыми ямами. Символами л-% обозначены переходы в области квантовой ямы ваАз

одиночными квантовыми ямами. При вычислении энергий межзонных

переходов мы считали, квантовую яму прямоугольной. В этом случае действуют правила отбора по чётности и наиболее вероятными являются переходы с

где tiij, - номер энергетического уровня в валентной зоне для тяжелых h или

легких / дырок, пе - номер энергетического уровня в зоне проводимости. В

результате проведенных расчетов установлено, что наблюдаемые в спектрах ФО

линии соответствуют межзонным переходам в квантовых ямах.

Установлено, что значения параметра уширения линий ФО,

обусловленных межзонными переходами в квантовых ямах, уменьшаются с

увеличением ширины квантовых ям. Следовательно, основной механизм

уширения

спектральных линий

связан с

пространственной

неоднородностью

гетерограниц.

Проведенные оценки

показали, что

неоднородность каждой

гетерограницы

исследуемых образцов

не превышает 3-4

монослоя. Это

Рис. 3. Спектры ФО структур GaAs/Al„Gai_xAs с одиночной свидетельствует о и двойными квантовыми ямами. Ширины ям 6.5 нм и 2x6.5

нм высоком качестве

исследуемых

квантовых ям.

В § 4.2 рассматриваются пары идентичных квантовых ям GaAs шириной 6.5, 13 и 17.5 нм, разделённых тонкой (толщина от 0.5 до 1.8 нм) широкозонной перегородкой AlAs. Вследствие туннельной прозрачности тонкого барьера в двойных связанных квантовых ямах из дважды вырожденного состояния соответствующих одиночных ям образуются два состояния, описываемые

Е, эВ

симметричной и антисимметричной волновой функцией. Из анализа спектров ФО (рис. 3) установлено, что величина расщепления спектральных линий уменьшается с ростом толщины барьера Л1Аз и увеличивается с ростом энергии уровня в квантовой яме.

В § 4.3 методом спектроскопии ФО исследуется влияние модулированного легирования барьеров на энергетический спектр электронов и дырок в квантовых ямах. Исследовались структуры с квантовыми ямами ОаАэ шириной 6.5, 13, 18, 26 и 35 нм и концентрацией легирующей примеси (кремний) в барьерах п-АЮаАэ от 1018 до 2-Ю18 см"3. Легированная часть барьера отделялась от области квантовой ямы ьАЮэАб спейсером. Толщины спейсера и легированного барьера составляли 16.5 нм.

В спектрах ФО присутствуют линии в области 1.41 и 1.65 - 1.90 эВ, связанные с фундаментальными переходами Ей ваАз, и Е0г А^ва^Аз соответственно. Линии, связанные с барьерами А!0 2Са<)8Аз представляют собой осцилляции Франца-Келдыша. Линии в области энергий 1.38 - 1.65 эВ, представляют собой структуры с двумя экстремумами разных знаков, соответствующие низкополевой модели Аспнеса (1). Эти линии связаны с межзонными переходами в квантовых ямах. С ростом концентрации примеси в барьерах происходит уменьшение интенсивности и увеличение ширины спектральных линий, обусловленных межзонными переходами в квантовой яме. В отличие от спектров ФО нелегированных структур с квантовыми ямами, где интенсивность спектральных линий монотонно уменьшалась с ростом энергии, в спектрах структур с модулированным легированием барьеров интенсивность линий с ростом энергии перехода сначала увеличивается, а потом уменьшается.

Профиль квантовой ямы в гетероструктуре с модулированным легированием барьеров существенно отличается от прямоугольного. Следовательно, для описания спектра межзонных переходов пользоваться системой (2 - 3) с правилами отбора (4) нельзя. Для объяснения экспериментальных данных самосогласованно решались уравнения Пуассона и Шредингера. В ходе решения определялись профиль квантовой ямы, волновые

функции четырех электронных и четырех дырочных состояний в гетероструктуре, интегралы перекрытия волновых функций электронов и дырок. Сопоставление экспериментальных и теоретических результатов показало, что изменение типов межзонных переходов в квантовых ямах связано с изменением интегралов перекрытия волновых функций электронов и дырок. Это происходит при концентрации легирующей примеси в барьерах 2-1018 см"3.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы. 1. Разработана схема регистрации спектров ФО полупроводниковых структур, в которой уменьшено воздействие на образец зондирующего излучения. Это позволило избежать неконтролируемых разогрева образца и изгиба зон, связанного с фотогенерацией носителей .Установлено, что особенности спектров ФО, обусловленные электрической активацией примеси в 1пР, легированном ионами Ве+, и ОаАв, легированном ионами Мп+, могут проявляться как в виде осцилляций Франца-Келдыша, так и в виде переходов с участием акцепторного уровня, в зависимости от энергии активации акцептора.Показано, что обнаруженные в спектрах ФО легированных кремнием пленок п-ОаАв осцилляции Франца-Келдыша двух различных частот связаны с вкладом в спектр сигналов от приповерхностной области пространственного заряда и области, связанной с границей раздела «легированная пленка - полуизолирующая подложка». 4. Показано, что полученные из спектров ФО энергии межзонных переходов нелегированных гетероструктур с квантовыми ямами ОаАэ/ДЮаАз, соответствуют рассчитанным в рамках модели огибающей волновой функции для прямоугольного потенциала с учетом правил отбора по четности. В модулировано легированных квантовых ямах СаАз/АЮаАв при концентрации легирующей примеси в барьерах, порядка 2-1018 см'3, происходит изменение типов межзонных переходов. Это подтверждается самосогласованным решением уравнений Пуассона и Шредингера.

5. Установлено, что основным механизмом угаирения спектральных линий ФО, связанных с межзонными переходами в области квантовой ямы GaAs/AlGaAs является пространственная неоднородность гетерограниц.

6. Обнаруженное в спектрах фотоотражения двойных квантовых ям расщепление спектральных линий связано с взаимодействием одиночных квантовых ям через туннельно-прозрачный барьер AlAs. Величина расщепления спектральных линий уменьшается с ростом толщины барьера AI As и увеличивается с ростом энергии уровня в квантовой яме.

7. Разработана программа для анализа спектров ФО с применением моделей Аспнеса и Штудны, фазового анализа, преобразования Фурье, соотношений Крамерса-Кронига. Разработана программа для расчета энергетических уровней электронов и дырок, а также, энергий межзонных переходов в полупроводниковых квантовых ямах в рамках модели огибающей волновой функции.

Список публикаций по теме диссертации

1. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Казаков И.П., Червяков A.B. Размерное квантование в гетероструктурах GaAs/AlxGaj.xAs по данным спектроскопии фотоотражения. Вестн. Моск. Ун-та. Физика. Астрономия. 32(4), с.48 (2002)

2. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Галиев Г.Б., Каминский В.Э., Кульбачинский В.А., Мокеров В.Г., Червяков A.B. Исследование эффектов размерного квантования в связанных квантовых ямах A^Ga^As/CaAs/AI^Ga^As методом спектроскопии фотоотражения. Опт. и Спектр., 93(6), с.857 (2002)

3. Галиев Г.Б., Каминский В.Э., Мокеров В.Г., Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Червяков A.B., Кульбачинский В.А. Исследование электронных переходов в связанных квантовых ямах со встроенным электрическим полем методом спектроскопии фотоотражения. ФТП, 37(1), с.77 (2003)

4. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Колмакова Т.П., Червяков A.B. Исследование встроенного электрического поля в напряженных сверхрешетках GaAs/GaAsP методом спектроскопии фотоотражения. Вестн. Моск. Ун-та. Физика. Астрономия, том 2, с.45 (2004)

5. Авакянц JI.П., Боков П.Ю., Колмакова Т.П., Червяков A.B. Исследование разрыва зон на гетеропереходе напряженных короткопериодных сверхрешеток GaAs/GaAsP методом спектроскопии фотоотражения. ФТП, 38(12), с. 1429 (2004)

6. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Червяков A.B. Исследование активации примеси в InP, имплантированном ионами бериллия, методом фотоотражения. ФТП 39(2), с.189 (2005)

7. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Червяков A.B. Автоматизированная установка для регистрации спектров фотоотражения с использованием двойного монохроматора. ЖТФ, 75(10), с.66 (2005)

8. Боков П.Ю., Желтяков П.А. Автоматизированная установка для регистрации спектров фотоотражения полупроводниковых структур. Тез. докл. междун. конф. студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 99», с.102, г. Москва, апрель 1999

9. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Казаков И.П., Червяков A.B. Исследование гетероструктур GaAs/AlxGai_xAs методом спектроскопии фотоотражения. Тез. докл. Всероссийской научно-технической конф. «Микро - и нано -электроника 2001», с. р2-29, Звенигород 1-5 октябрь 2001

10.Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Казаков И.П., Червяков A.B. Исследование гетероструктур GaAs/AlGaAs методами комбинационного рассеяния света и фотоотражения. Тез. докл. первой Российской конф. молодых ученых по физическому материаловедению, с. 42, Калуга, 2001

11.Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Казаков И.П., Червяков A.B. Исследование гетероструктур состава GaAs/AlGaAs методом комбинационного рассеяния света. Тез. докл. второй междун. конф. молодых ученых и специалистов «Оптика 2001», с. 65, Санкт-Петербург, 2001

12.Avakyants L.P., Bokov P.Yu., Chervyakov A.V., Kazakov I.P. Photoreflectance study of GaAs/A1xGai.xAs quantum well structures. Тез. докл. 19ft Condensed Matter Division conference, Brighton, United Kingdom 7-11 april 2002

13.Боков П.Ю. Исследование гетероструктур AlxGai _х As/Ga As/ AlsGa i .„As методом спектроскопии фотоотражения. Тез. докл. межд. конф. студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 2002», с. 196, Москва, Физический факультет МГУ, апрель 2002

14.Галиев Г.Б., Каминский В.Э., Мокеров В.Г., Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Червяков A.B. Исследования электронно-дырочных переходов в связанных квантовых ямах со встроенным электрическим полем методом фотоотражения, тез. докл. конф. «Оптика, оптоэлектроника и технология», с. 82, Ульяновск, 17-22 июнь 2002

15.Avakyants L.P., Bokov P.Yu., Chervyakov A.V., Kazakov I.P., Trofimov V.T. Study of carrier concentration in Si doped GaAs by Raman scattering and photoreflectance spectroscopy. Тез. докл. конф. Lasers, Applications, and Technologies -2002, p. 114, Москва, 22-27 июнь 2002

16.Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Казаков И.П., Червяков A.B. Особенности фотоотражения в тонких пленках n-GaAs. Материалы 8 междун. Конф. «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V», с. 214, Томск, 1 - 4 октябрь 2002

17.Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Казаков И.П., Червяков A.B. Исследование электронных состояний в тройных квантовых ямах на основе GaAs/AlGaAs методом спектроскопии фотоотражения. Материалы 8 междун. конф. «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы IIT-V», с. 149, Томск, 1 - 4 октябрь 2002

18.Боков П.Ю., Авакянц Л.П. Исследование эффектов размерного квантования в гетероструктурах с квантовыми ямами методом фотоотражения. Тез. докл. IV Всероссийской молодежной конф. по физике полупроводников, полупроводниковой опто- и наноэлектронике., с. 84, Санкт-Петербург, 3-6 декабрь 2002

19.Avakyants L.P., Bokov P.Yu., Chervyakov A.V., Galiev G.B., Klimov E.A., Vasil'evskij l.S. Room temperature photoreflectance investigation of undoped and doped GaAs/AlGaAs quantum well structures. Proc. SPIE Vol. 5401, p. 605, 2003

20.Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Червяков А.В. Особенности спектров фотоотражения InP при имплантации ионами Be. Тез. докл. междун. конф. молодых ученых и специалистов «Оптика 2003», с. 258, Санкт-Петербург, октябрь 2003

21.Боков П.Ю. Регистрация спектров фотоотражения полупроводниковых структур с использованием двойного монохроматора. Тез. докл. междун. конф. студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 2004», с. 192, Москва, апрель 2004

22.Avakyants L.P., Bokov P.Yu., Chervyakov A.V., Galiev G.B., Klimov E.A., Vasil'evskij I.S. Photoreflectance investigation of GaAs/AlGaAs quantum well with different level of doping. Тез. Workshop on Modulation Spectroscopy of Semiconductor Structures, p. 39, Wroclaw, Poland, 2004

23.Avakyants L.P., Bokov P.Yu., Chervyakov A.V. Characterization of structural and electrical properties of Be+ implanted InP by Raman scattering. Abstracts of 20th General Conference Condenced Matter Division EPS p. 130, Prague, 19-23 July 2004

24.Боков П.Ю., Авакянц Л.П. Особенности фотоотражения в GaAs, ионно легированном Мп+. Тез. докл. VI Всероссийской молодежной конф. по физике полупроводников, полупроводниковой опто- и наноэлектронике, с. 97, Санкт-Петербург, 6-10 декабрь 2004

25.Avakyants L.P., Bokov P.Yu., Chervyakov A.V., Kazakov I.P., Kukin V.N. Diagnostics of GaAs/AlGaAs superlattices by means of photoreflectance spectroscopy. Тез. докл. 13th European Molecular Beam Epitaxy Workshop, p. P-11, Grindenwald, Switzerland, 2005

26.Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Вихрова O.B., Данилов Ю.А., Червяков А.В. Исследование GaAs:Mn методами комбинационного рассеяния света и фотоотражения. Тез. докл. междун. конф. «Взаимодействие ионов с поверхностью 2005», с. 2-102, Звенигород, 2005

ОБ в 1 9 3

РНБ Русский фонд

2006-4 21356

Подписано К печати 15.1i.0Jf Типаж {30 Заказ 170

Отпечатано в отделе оперативной печати физического факультета МГУ

Введение.

Глава 1. Теория фотоотражения полупроводниковых структур. Типы спектров фотоотражения и методы их анализа.

1.1. Эффект Франца-Келдыша.

1.2. Типы спектров фотоотражения.

1.3. Анализ многокомпонентных спектров фотоотракения.

1.3.1. Анализ модуля изменения коэффициента отражения.

1.3.2. Фазочувствительный анализ спектров фотоотражения.

1.3.3. Фурье-анализ спектров фотоотражения.

1.4. Основные трудности модуляционной спектроскопии.

Глава 2. Методика эксперимента.

2.1. Методы регистрации спектров фотоотражения.

2.2. Автоматизированная установка для регистрации спектров фотоотражения с использованием двойного монохроматора.

2.3. Программное обеспечение для анализа спектров фотоотражения.

2.4. Регистрация спектров комбинационного рассеяния света.

Глава 3. Исследование методом фотоотражения легированных полупроводников 1пР и СаАв.

3.1. Исследование процесса активации примеси в легированных имплантацией ионов подложках 1пР и ваАБ.

3.1.1. Исследование 1пР, легированного ионами бериллия.

3.1.2. Исследование ОаАэ, легированного ионами марганца.

3.2. Исследование пленок ОаАэ, легированных кремнием.

Глава 4. Исследование методом фотоотражения гетероструктур

СаАв/АЮаАв с квантовыми ямами.

4.1. Исследование электронных переходов в нелегированных гетероструктурах GaAs/AlGaAs с одиночными квантовыми ямами.

4.1.1. Спектры фотоотражения нелегированных гетероструктур с квантовыми ямами.

4.1.2. Расчет энергий межзонных переходов в одиночных квантовых ямах.

4.1.3. Параметр уширения линий в спектрах фотоотражения нелегированных структур с одиночными квантовыми ямами.

4.2. Исследование электронных переходов в нелегированных гетероструктурах GaAs/AlGaAs с двойными квантовыми ямами.

4.2.1. Исследование электронных переходов в двойных квантовых ямах.

4.2.2. Исследование электронных переходов в двойных квантовых ямах с разной толщиной центрального барьера.

4.3. Исследование электронных переходов в одиночных и двойных квантовых ямах GaAs/AlGaAs с модулированным легированием барьеров.

4.3.1. Модулировано легированные гетероструктуры.

4.3.2. Самосогласованный расчет энергий и вероятностей межзонных переходов в модулировано легированных гетероструктурах с квантовыми ямами.

4.3.3. Спектры фотоотражения модулировано легированных гетероструктур с квантовыми ямами.

Полупроводниковые структуры на основе арсенида галлия и фосфида индия в настоящее время широко используются для создания фотодетекторов, оптических модуляторов, мощных и сверхбыстрых транзисторов и других приборов опто - и наноэлектроники.

Одним из важных технологических процессов при изготовлении такого рода структур является легирование. К числу эффективных методов легирования относят имплантацию ионов с последующим термическим отжигом. Преимущества данного метода [1] состоят в контролируемости пространственного распределения примеси, локальности легирования, возможности точной дозировки примеси, высокой воспроизводимости дозировок. Особый интерес представляет модулированное легирование, которое позволяет изготавливать полупроводниковые структуры с высокой подвижностью носителей.

Так как оптические свойства полупроводников тесно связаны с их электрофизическими свойствами [2-4], для неразрушающей диагностики легированных полупроводниковых структур могут быть использованы оптико-спектроскопические методы, такие как комбинационное рассеяние света, фотолюминесценция, спектроскопия поглощения, методы модуляционной спектроскопии.

Новый этап в развитии полупроводниковой опто- и наноэлектроники связан с применением квантово-размерных гетероструктур, в том числе, структур с квантовыми ямами [5]. Согласно теоретическим расчетам [6 - 7], квантование электронов и фононов в квантовых ямах должно уменьшать электрон-фононное взаимодействие и тем самым приводить к повышению подвижности электронов. Последнее должно способствовать уменьшению пороговых токов и увеличению квантового выхода полупроводниковых излучателей (светодиоды, полупроводниковые лазеры), улучшению соотношения «сигнал/шум» фотоприемников, росту быстродействия так называемых НЕМТ (high electron mobility transistor) -транзисторов.

Актуальность исследования такого рода структур оптическими методами обусловлена тем, что основные тенденции современной электроники направлены на создание полупроводниковых приборов с размерами порядка нескольких нанометров (в том числе и интегрированных в микросхемы), диагностика которых традиционными методами (например, эффект Холла) оказывается затруднительной.

В то же время, использование для диагностики полупроводниковых структур таких оптических методов как комбинационное рассеяния света, фотолюминесценция, спектроскопия поглощения связано с рядом трудностей. Так, определение концентрации носителей п методом спектроскопии комбинационного рассеяния света на связанных фонон-плазмонных модах практически ограничивается диапазоном (1018<п<1019) см"3, и только для полупроводников п-типа [8]. Исследования полупроводниковых структур методами фотолюминесценции и спектроскопии поглощения сопряжены, как правило, с использованием низкотемпературной (вплоть до жидкого гелия) техникой [9]. Поэтому в последнее время все большую популярность приобретают методы модуляционной спектроскопии, особенно, электро- и фотоотражение.

Метод спектроскопии фотоотражения (обзоры [10 - 12]) позволяет бесконтактно определять величины встроенных электрических полей и особенности их пространственного распределения в полупроводниковых структурах, давать оценки концентрации носителей. Этот метод особенно интересен для исследования квантово-размерных эффектов в полупроводниковых структурах, так как он позволяет определять энергии межзонных переходов даже при комнатной температуре.

Однако при анализе спектров фотоотражения многослойных полупроводниковых структур возникают сложности, связанные с идентификацией вкладов в спектр каждой из областей исследуемой структуры. Для решения этих проблем были разработаны такие методы анализа спектров как фазочувствительный анализ [13], анализ среднеполевых спектров с применением преобразования Фурье [14], анализ модуля изменения коэффициента отражения [15] (соотношения Крамерса-Кронига). Следует отметить, что использование преобразования Фурье и соотношений Крамерса-Кронига допустимо только при условии однородности встроенного электрического поля в полупроводнике. В связи с тем, что данное условие далеко не всегда оказывается выполнимым, актуальной является разработка методов, позволяющих выделять отдельные спектральные компоненты на стадии регистрации спектров фотоотражения. Например - использование модулирующего излучения с разными длинами волн.

Кроме того, ионизированная примесь и пространственная локализация носителей приводят к появлению дополнительных встроенных электрических полей [16], которые модифицируют профиль зонной структуры. Это приводит к изменению энергетического спектра электронов и дырок, и, следовательно, к изменению оптических свойств структуры. Неконтролируемое изменение энергетического спектра электронов и дырок в такого рода структурах возможно также непосредственно в ходе экспериментальных исследований. Так, применение метода фотолюминесценции для исследования легированных полупроводниковых структур сопряжено с применением больших плотностей мощности (до 10 Вт/см и более [17]) возбуждающего лазерного излучения. Последнее приводит не только к локальному разогреву образца, но и модифицирует его зонную структуру за счет фотовольтаического эффекта [10, 18].

Хильдебрандтом (ИЫеЬгапск) [19] при исследовании легированных пленок п-ОаАз методом спектроскопии фотоотражения, было показано, что с изменением плотности мощности модулирующего излучения от

1 л

2-10" до 2 Вт/см не только увеличивается интенсивность линий в спектре фотоотражения, но также изменяется их форма. Последнее обусловлено изменением зонной структуры образца в ходе эксперимента. Трудность учета такого рода неконтролируемого воздействия на образец усложняет анализ получаемой из спектров информации. В связи с этим актуальной задачей является разработка методов регистрации спектров фотоотражения, в которых влияние зондирующего и модулирующего излучений на образец сведено к минимуму.

Исследования эффектов размерного квантования в полупроводниковых гетероструктурах с квантовыми ямами проводились такими модуляционными методами как пьезоотражение [20], электроотражение [11] и фотоотражение [12]. Важной задачей было получение модуляционного сигнала от одной квантовой ямы. Затем исследовались квантовые ямы разного профиля: прямоугольные [11, 21], треугольные [21], параболические [20]. Для анализа полученных из эксперимента энергий межзонных переходов в квантовых ямах чаще всего использовали метод огибающей волновой функции в простом приближении: не учитывались конечность потенциальных барьеров, различие эффективных масс носителей в слоях ямы и барьеров, непараболичность закона дисперсии в зоне проводимости. Фактически это означало, что анализ экспериментальных данных проводился лишь в рамках простых моделей. В этой связи актуальной задачей является моделирование зонной структуры реальных полупроводниковых квантовых ям.

Проводимые методом спектроскопии многочисленные исследования полупроводниковых гетероструктур - прототипов транзисторов преследуют следующие цели: оценка величин встроенных электрических полей [22], оценка плотности двумерного электронного газа в канале транзистора [23], установление влияния параметров модулированного легирования на энергетический спектр электронов и дырок в квантовых ямах. Решение данных вопросов также сопряжено с моделированием зонной структуры исследуемых объектов.

Указанные обстоятельства позволяют сформулировать цель работы: исследовать особенности фотоотражения в легированных полупроводниковых структурах на основе ОяАб и 1пР, а также в полупроводниковых квантовых ямах на основе ОаАБ/АЮаАБ, для чего разработать методику регистрации спектров фотоотражения с минимальным воздействием зондирующего излучения на образец. При этом решались следующие конкретные задачи:

1. Разработать методику регистрации спектров фотоотражения полупроводниковых структур с минимальным воздействием на исследуемый образец зондирующего излучения и отсутствием засветки фотоприемника модулирующим излучением.

2. Выяснить возможности метода спектроскопии фотоотражения для диагностики электрофизических параметров легированных слоев 1пР и ваАБ, для чего:

• Установить корреляцию спектров фотоотражения образцов 1пР, имплантированных ионами Ве+ с энергией 100 кэВ и дозой 1013 см"2 и подвергнутых термическому отжигу с их структурными и электрофизическими свойствами.

• Установить корреляцию спектров фотоотражения образцов ваАэ, имплантированных ионами Мп+ с энергией 200 кэВ и дозой 5-1015 см"2 и подвергнутых термическому отжигу с их структурными и электрофизическими свойствами.

• Провести исследование методом спектроскопии фотоотражения пленок п-ОэАб толщиной 200 нм, легированных в процессе эпитаксиального роста Б! (концентрация носителей от 3.7-1016 до 7-Ю18 см"3). Для установления вкладов в спектры фотоотражения различных областей образцов использовать в ходе исследований в качестве модулирующего излучение узконаправленных светодиодов с различными длинами волн. Исследовать методом фотоотражения спектр электронно-дырочных состояний в полупроводниковых квантовых ямах СаАБ/АЮаАБ, для чего:

• Выявить в спектрах фотоотражения одиночных и двойных квантовых ям на основе ОаАз/АЮаАБ особенности, обусловленные эффектами размерного квантования электронов и дырок, а также, модулированным легированием барьеров.

• Разработать программное обеспечение для расчета энергий электронов и дырок в полупроводниковых квантовых ямах в рамках модели огибающей волновой функции. Сопоставить энергии межзонных переходов, определенные из спектров фотоотражения, с теоретически рассчитанными.

На защиту выносятся следующие положения:

Особенности спектров фотоотражения, обусловленные электрической активацией примеси в ионно-легированных 1пР и ваАБ могут проявляться как в виде осцилляций Франца-Келдыша, так и в виде переходов с участием акцепторного уровня, в зависимости от энергии активации акцептора.

Обнаруженные в спектрах фотоотражения легированных кремнием пленок ваАБ осцилляции Франца-Келдыша двух различных частот связаны с вкладом в спектр сигналов от приповерхностной области пространственного заряда и границы раздела «легированная пленка п-ОаАэ - полуизолирующая подложка СаАэ».

Полученные из спектров фотоотражения энергии межзонных переходов нелегированных гетероструктур с квантовыми ямами ОаАБ/АЮаАБ соответствуют рассчитанным в рамках модели огибающей волновой функции для прямоугольного потенциала с учетом правил отбора по четности.

4. Основным механизмом уширения спектральных линий фотоотражения, связанных с межзонными переходами в области квантовой ямы GaAs/AlGaAs является пространственная неоднородность гетерограниц.

5. Расщепление линий в спектрах фотоотражения двойных квантовых ям связано с взаимодействием одиночных квантовых ям через туннельно-прозрачный барьер AlAs. Величина расщепления уменьшается с ростом толщины барьера AlAs и увеличивается с ростом энергии уровня в квантовой яме.

Основные результаты диссертации изложены в работах [49 -51, 74

81 - 102] и докладывались:

1. на международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 99», г. Москва, 1999

2. на Всероссийской научно-технической конференции «Микро - и нано - электроника 2001» (МНЭ-2001), г. Звенигород, 2001

3. на первой Российской конференции молодых ученых по физическому материаловедению, г. Калуга, 2001

4. на второй международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика 2001», г. Санкт-Петербург, 2001

5. на 19th Condensed Matter Division conference (19th CMD), Brighton, 2002

6. на международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 2002», г. Москва, 2002

7. на конференции «Оптика, оптоэлектроника и технология» (ООТ-2002), г. Ульяновск, 2002

8. на Conference on Lasers, Applications, and Technologies 2002 (LAT-2002), г. Москва, 2002

9. на 8 международной конференции «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V» (GaAs-2002), г. Томск, 2002

10. на четвертой Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников, полупроводниковой опто- и наноэлектронике., г. Санкт-Петербург, 2002

11. на Всероссийской научно-технической конференции «Микро - и нано - электроника 2003» (МНЭ-2003), г. Звенигород, 2003

12. на международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика 2003», г. Санкт-Петербург, 2003

13. на международной конференции студентов и аспирантов «Ломоносов 2004», г. Москва, 2004

14. на International Workshop on Modulation Spectroscopy of

Semiconductor Structures (MS-3), Wroclaw, 2004 th

15. на 20 General Conference Condensed Matter Division EPS, Prague, 2004

16. на шестой молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, г. Санкт-Петербург, 2004

17. на 13th European Molecular Beam Epitaxy Workshop (Euro MBE 2005), Grindenwald, 2005

18. на международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью 2005», г. Звенигород, 2005

Практическая ценность работы:

1. Данные, полученные из спектров фотоотражения ионно-легированных InP и GaAs, могут быть использованы для выбора оптимальных режимов отжига при ионном легировании.

2. Результаты исследования модулировано легированных структур с квантовыми ямами на основе гетеропары GaAs/AlGaAs методом фотоотражения, и их интерпретация на основе самосогласованного решения уравнений Шредингера и Пуассона позволяют получать информацию об изменении заселенности подзон размерного квантования, что может быть использовано при разработке прототипов НЕМТ транзисторов.

3. Методики, предложенные в диссертации, могут быть использованы для бесконтактного неразрушающего контроля оптических (ширина запрещенной зоны, энергии межзонных переходов в квантово-размерных структурах) и электрофизических (величины и пространственное распределение встроенных электрических полей, величина поверхностного потенциала, концентрация носителей) параметров.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 102 наименования. Работа содержит 132 страницы, в том числе, 50 рисунков и 7 таблиц.

Заключение. Основные результаты и выводы

В настоящей работе приведены результаты исследования методом спектроскопии фотоотражения легированных полупроводниковых структур на основе ваАБ и 1пР, а также, одиночных и двойных полупроводниковых квантовых ямх на основе гетеропары ваАз/АЮаАз.

1. Разработана схема регистрации спектров фотоотражения полупроводниковых структур, в которой уменьшено воздействие на образец зондирующего излучения. Это позволило избежать неконтролируемых разогрева образца и изгиба зон, связанного с фотогенерацией носителей.

2. Установлено, что особенности спектров фотоотражения, обусловленные электрической активацией примеси в 1пР, легированном ионами Ве+, и СаАБ, легированном ионами Мп+, могут проявляться как в виде осцилляций Франца-Келдыша, так и в виде переходов с участием акцепторного уровня, в зависимости от энергии активации акцептора.

3. Показано, что обнаруженные в спектрах фотоотражения легированных кремнием пленок п-ваАБ осцилляции Франца-Келдыша двух различных частот связаны с вкладом в спектр сигналов от приповерхностной области пространственного заряда и области, связанной с границей раздела «легированная пленка -полуизолирующая подложка».

4. Показано, что полученные из спектров фотоотражения энергии межзонных переходов нелегированных гетероструктур с квантовыми ямами ОаАБ/АЮаАБ, соответствуют рассчитанным в рамках модели огибающей волновой функции для прямоугольного потенциала с учетом правил отбора по четности. В модулировано легированных квантовых ямах СаАз/АЮаАБ при концентрации

I о ч легирующей примеси в барьерах, порядка 2- 10 см", происходит изменение типов межзонных переходов. Это подтверждается самосогласованным решением уравнений Пуассона и Шредингера. Установлено, что основным механизмом уширения спектральных линий фотоотражения, связанных с межзонными переходами в области квантовой ямы СаАэ/АЮаАБ является пространственная неоднородность гетерограниц.

Обнаруженное в спектрах фотоотражения двойных квантовых ям расщепление спектральных линий связано с взаимодействием одиночных квантовых ям через туннельно-прозрачный барьер А1Аб. Величина расщепления спектральных линий уменьшается с ростом толщины барьера А1АБ и увеличивается с ростом энергии уровня в квантовой яме.

Разработана программа для анализа спектров фотоотражения с применением моделей Аспнеса и Штудны, фазового анализа, преобразования Фурье, соотношений Крамерса-Кронига. Разработана программа для расчета энергетических уровней электронов и дырок, а также, энергий межзонных переходов в полупроводниковых квантовых ямах в рамках модели огибающей волновой функции.

В заключении мне хотелось бы выразить благодарность своему научному руководителю Льву Павловичу Авакянцу за предложенную интересную тему работы и постоянное внимание, и помощь в ходе ее выполнения. Старшему научному сотруднику кафедры общей физики Анатолию Васильевичу Червякову за неустанное внимание и помощь в проведении экспериментов. Ивану Алексеевичу Китову за помощь в автоматизации экспериментальной установки.

Хочется также поблагодарить коллег, изготовивших и предоставивших для исследования образцы. Это старший научный сотрудник ФИ РАН Игорь Петрович Казаков, ведущий научный сотрудник ИСВЧПЭ РАН Галиб Бариевич Галиев, старший научный сотрудник НИФТИ ННГУ Юрий Александрович Данилов, старший научный сотрудник НИИ «Оптрон» Тамара Павловна Колмакова, ведущий научный сотрудник кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ Александр Николаевич Образцов.

121

1. Мейер Дж., Эриксон JL, Дэвис Дж. «Ионное легирование полупроводников» изд. «Мир», Москва (1973)

2. Sydor М., Jahren N., Mitchel W.C., Lampert W.V., Haas T.W., Yen M.Y., Mudare S.M., Tomich D.H. «Photoreflectance of AlxGai.xAs and AlxGaj.xAs/GaAs interfaces and high-electron-mobility transistors» J. Appl. Phys. Vol. 64, No 12, p. 7423 (1990)

3. Гук А.В., Каминский В.Э., Мокеров В.Г., Фёдоров Ю.В., Хабаров Ю.В. «Оптическая спектроскопия двумерных электронных состояний в модулированно-легированных гетероструктурах п-AlxGabxAs/GaAs». ФТП том 31, выпуск 11, стр. 1367 (1997)

4. Алфёров Ж.И. «История и будущее гетероструктур». ФТП, том 32, выпуск 1, стр. 3 (1998)

5. Pozela J., Namajunas A., Pozela К., Juciene V. «Electrons and phonons in quantum wells». ФТП том 33, выпуск 9, стр. 1049 (1999)

6. Пожела Ю., Пожела К., Юцене В. «Подвижность и рассеяние электронов на полярных оптических фононах в гетероструктурных квантовых ямах». ФТП том 34, выпуск 9, стр. 1053 (2000)

7. Gargouri М., Prevot В., Schwab С. «Raman scattering evaluation of lattice damage and electrical activity in Be implanted GaAs» J. Appl. Phys. Vol. 62(9), p. 3902 (1987)

8. Kawai H., Kaneko J., Watanabe N. «Doublet state of resonantly coupled AlxGaixAs/GaAs quantum wells grown by metaloorganic vapor deposition». J. Appl. Phys. Vol. 58, № 3, p. 1263 (1985)

9. Shen H., Dutta M. «Franz-Keldysh oscillations in modulation spectroscopy» J. Appl. Phys. Vol. 78(4), p. 2151 (1995)

10. Pollak F.H. «Non-destructive, room temperature, characterization of wafer-sized III-V semiconductor device structures using contactless electromodulation and surface photovoltage spectroscopy». SPIE proc. Vol. 3944 p. 408(2000)

11. Misiewicz J., Sitarek P., Sek G., Kudrawiec R. «Semiconductor heterostructures and device structures investigated by photoreflectance spectroscopy» Mat. Scie. Vol. 21(3), p. 263 (2003)

12. Ганжа A.B., Кирхер В., Кузьменко Р.В., Шрайбер Й., Хильдебрандт Ш. «Фазочувствительный анализ спектров фотоотражения n-GaAs» ФТП, том 32(3), стр.272 (1998)

13. Sheibler Н.Е., Alperovich V.L., Jaroshevich A.S., Terekhov A.S. «Fourier resolution of surface and interface contributions to photoreflectnace spectra of multilayered structures» Phys. Stat. Sol. (a). Vol. 152, p. 113 (1995)

14. Hosea T.J.S. «Estimating critical-point parameters from Kramers-Kronig transformations of modulated reflectance spectra» Phys. Stat. Sol: (b) Vol. 182, p. K43 (1994)

15. Херман M. «Полупроводниковые сверхрешетки», Москва, Мир (1983)

16. Airaksinen V.M., Lipsanen H.K. «Photoreflectance study of photovoltage effects in GaAs diode strucrures» Appl. Phys. Lett. Vol. 60(17), p. 2110 (1992)

17. Hildebrandt S., Murtagh M., Kuzmenko R., Kircher W., Schreiber J. «Analysis of synchronous phase, pump power, and pump wavelengthdependent complex PR spectra from GaAs MBE structures» Phys. Stat. Sol. (a) Vol. 152, p. 147(1995)

18. Lee Y. R., Ramdas A. K., Moretti A. L., Chambers F. A., Devane G. P., Ram-Mohan L. R. «Piezomodulated reflectivity spectra of GaAs/AlxGai xAs single-parabolic-quantum-well heterostructures» Phys. Rev. В Vol. 41, p. 8380(1990)

19. Qiang H., Pollak F.H., Huang Y-S., Chi W.S., Droopad R., Mathine D.L., Maracas G.N. «Photoreflectance study of GaAs/GaAlAs digital alloy compositionally graded structures» Proc. SPIE Vol. 2139, p. 11 (1993)

20. Hughes P.J., Weiss B.L., Hosea T.J.S. «Analysis of Franz-Keldysh oscillations in photoreflectance spectra of a AlxGaixAs/GaAs single quantum well structure». J. Appl. Phys. Vol. 77, № 12, p. 6472 (1995)

21. Oelgart G., Proctor M., Martin D., Morier-Genuad F., Reinhart F.K., Orschel В., Andreani L.C., Rhan H. «Experimental and theoretical study of excitonic transition energies in GaAs/AlxGaixAs quantum wells». Phys Rev В vol. 49, № 15, p. 10456 (1994)

22. Jâger A., Weiser G., Wiedemann P. «Inhomogeneous Exciton Broadening and Mean Path in InixGaxAsyPi.y-InP Heterostructures» IEEE Journal of selected topics in quantum electronics. Vol. 1, No 4, p. 1113 (1995)

23. Фальковский JI.A. «Исследования полупроводников с дефектами методом комбинационного (рамановского) рассеяния света» УФН том 174(3), стр. 259(2004)

24. Иванов Ю.Л., Агринская Н.В, Петров П.В., Устинов В.М., Цырлин Г.Э. «Проявление А(+) центров в люминесценции двумерных структур GaAs/AlGaAs» ФТП том 36, №8, стр. 993 (2002)

25. Franz W. «Einflusseines elektrischen Felden auf eine optische absorption Skante» Z. Naturforschung Vol. 13, No 5, p. 484 (1958)

26. Келдыш JI.B. «О влиянии сильного электрического поля на оптические характеристики непроводящих кристаллов» ЖЭТФ том 34, №5, стр. 1138(1958)

27. Tharmalingam К. «Optical absorption in the presence of an uniform field» Phys. Rev. Vol. 130, No 8, p. 2204 (1963)

28. Aspnes D.E. «Band nonparabolicities, broadening, and field distributions: The spectroscopy of Franz-Keldysh oscillations» Phys Rev B. Vol. 10, p. (1974)

29. Aspnes D.E. «Third-derivative modulation spectroscopy with low-field electroreflectance». Surf. Science. Vol. 37, p. 418 (1973)

30. Каваляускас Ю., Кривайте Г., Шаронова Л.В., Шилейка А., Шмарцев Ю.В. «Модуляционные спектры структур легированных квантовых ям GaAs Alo.3Gao.7As» ФТП том 27, вып. 7, стр. 1086 (1993)

31. Aspnes D.E., Shtudna А.А. «Schottky-Barrier Electroreflectance: Application to GaAs» Phys Rev B. Vol. 7, p. 4605 (1973)

32. Rudin S., Reinecke T.L., Segall B. «Temperature dependent exciton linewidths in semiconductors» Phys. Rev. В Vol. 42(17), p. 11218 (1990)

33. Selei S., Cricenti A., Righini M., Petrillo C., Sacchetti F., Alexandre F., Chiarotti A. «Evaluation of electron-phonon coupling of Alo.27Gao.73As/GaAs quantum wells by normal incidence reflectance» Solid State Comm. Vol. 79(7), p. 561 (1991)

34. Qiang H., Pollak F.H., Sotomayor Tores C.M., Leitich W., Kean A.H., Storscio M.A., Iafrate J. «Size dependence of the thermal broadening of the exciton linewidth in GaAs/Gao^AlojAs single quantum wells» Appl. Phys. Lett. Vol. 61(12), p. 1411 (1992)

35. Hosea T.J.S. «Estimating critical-point parameters of modulated reflectance spectra» Phys. Stat. Sol. (b) Vol. 189, p. 531 (1995)

36. Ландау Л.Д., Лифшиц И.М. «Теория поля», Москва, Наука, 1980

37. Jezierski K., Markiewicz P., Misiewicz J., Panek M., Sciana B., Korbutowicz R., Tlaczala M. «Application of Kramers-Kronig analysis to photoreflectance spectra of heavily doped GaAs/Si-GaAs substrates» J. Appl. Phys. Vol. 77(8), p. 4139 (1995)

38. Yan D., Quiang H., Pollak F.H. «New offset technique for suppression of spurious signals in photoreflectance spectra» Rev. Scie. Instr. Vol. 65(6), p. 1988 (1994)

39. Chen Y. H., Ye X. L., Wang J. Z., Wang Z. G., and Yang Z. «Interface-related in-plane optical anisotropy in GaAs/AlxGaixAs single-quantum-well structures studied by reflectance difference spectroscopy» Phys. Rev. B Vol. 66, p. 195321 (2002)

40. Blossey D. F. «Wannier Exciton in an Electric Field. II. Electroabsorption in Direct-Band-Gap Solids» Phys. Rev. B Vol. 3, p. 1382 (1971)

41. Enderlein R. «Mechanisms of photoreflectance from superlattices and quantum wells». Proc. SPIE. Vol. 1286, p. 188 (1990)

42. Lazarenkova O.L., Pikhtin A.N. «Simulation of photoreflectance and phototransmittance excitonic spectra applied to quantum well characterization» Phys. Stat. Sol. (a) Vol. 175, p. 51 (1999)

43. Herasimovich A., Shorhovets S., Goldhahn R., Gobsch G. «The dielectric function of a GaAs/AlGaAs single quantum well: calculation and comparison with experiment» Thin Solid Films. Vol. 450, p. 199 (2004)

44. Battacharya R.N., Shen H., Parayanthal P., Pollak F.H., Coutts T., Aharoni H. «Electroreflectance and photoreflectance study of spacecharge region in semiconductors: (In-Sn-0)/InP as a model system» Phys. Rev. B. Vol. 37(8), p. 4044 (1988)

45. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Казаков И.П., Червяков A.B. «Размерное квантование в гетероструктурах GaAs/AlxGai.xAs по данным спектроскопии фотоотражения». Вестн. Моск. Ун-та. Серия 3. Физика. Астрономия. Том 32, № 4, стр. 48 (2002)

46. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Червяков A.B. «Автоматизированная установка для регистрации спектров фотоотражения с использованием двойного монохроматора», ЖТФ, том 75(10), стр. 66 (2005)

47. Якубовский C.B., Ниссельсон Л.И., Кулешова В.И., Ушибышев В.А., Топешкин М.И. «Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник» стр. 349, изд. «Радио и связь», Москва (1989)

48. Авакянц Л.П., Китов И.А., Червяков A.B. «Автоматизированная установка для разностной спектроскопии комбинационного рассеяния» ПТЭ, том. 2, стр. 145 (1988)

49. Pavesi L., Guzzi M. «Photoluminescence of AlxGaixAs alloys». J. Appl. Phys. Vol. 75, №10, p. 4779 (1994)

50. Ю П., Кардона М. «Основы физики полупроводников» изд. Физматлит, Москва (2002)

51. Svavarsson Н. G., Gudmundsson J. Т., Gislason Н. P. «Impurity band in lithium-diffused and annealed GaAs: Conductivity and Hall effect measurements» Phys. Rev. B. Vol. 67, p. 205213 (2003)

52. Johnson N. M., Herring C., Bour D. «Diffusivity of positively charged hydrogen in GaAs» Phys. Rev. B. Vol. 48, p. 18308 (1993)

53. Aspnes D.E., Shtudna А.А. «Dielectric functions and optical parameters of Si, Ge, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, and InSb from 1.5 to 6.0 eV» Phys. Rev. B. Vol. 27, p. 985 (1983)

54. Sarma S.D., Fabian J., Ни X., Zutic I. «Spintronics: electron spin coherence, entanglement and transport» Superlatt.Microstr. Vol. 27, p. 289(2000)

55. Данилов Ю.А., Круглов A.B., Питиримова E.A., Дроздов Ю.Н., Мурель А.В., Бехар М., Пудензи М.А.А. «Структура и свойства слоев GaAs<Mn>, сформированных ионной имплантацией» Известия РАН. Серия физическая том 68, стр. 65 (2004)

56. Ченг Л, Плог К. «Молекулярно лучевая эпитаксия и гетероструктуры», изд. Мир, Москва (1989)

57. Кардона М. «Модуляционная спектроскопия» Москва, «Мир», 197269. http://www.corvette-lights.ru/gdiods/leds/narrow/index.html

58. Chandra A., Wood С.Е.С., Woodard D.W., Eastman L.F. «Surface and interface depletion corrections to free carrier-density determinations by Hall measurements» Surf. Solid. Electr. Vol. 22, p. 645 (1979)

59. Badakhshan A., Sydor M., Alavi K., Teraguchi N., Morkoc H. «Application of differential photoreflectance spectroscopy in selective modulation of a layer within multiplayer device structures». SPIE proc. Vol. 1678, p. 159(1992)

60. Kaiser H-K., Rehberg J. «About a one-dimensional stationary Schrôdinger-Poisson system with Kohn-Sham potential» Z. angew. Math. Phys. Vol. 50, p. 423 (1999)

61. Weisbuch C., Winter B. «Quantum Semiconductor Structures. Fundamental and Applications.» Acad. Press. (1991)

62. Herman M., Bimberg D., Christen J. «Heterointerfaces in quantum wells and epitaxial growth processes: Evaluation by luminescence techniques» J. Appl. Phys. Vol. 70(2), p. R1 (1991)

63. Yariv A., Lindsey C., Sivan U. «Approximate analytic solution for electronic wave functions and energies in coupled quantum wells». J. Appl. Phys. Vol. 58. p. 3669 (1985)

64. Bayer M., Timofeev V.B., Faller F., Gutbrod T., Forchel A. «Direct and indirect excitons in coupled GaAs/AlxGai„xAs double quantum wells separated by AlAs barriers». Phys. Rev. В Vol. 54. p. 8799 (1996)

65. Sqk G., Ryczko K., Kubisa M., Misiewicz J., Koeth J., Forchel A. «Photoreflectance study of coupling effects in double quantum wells» Proc. SPIE Vol. 3725, p. 201 (1999)

66. Sqk G., Ryczko K., Kubisa M., Misiewicz J., Bayer M., Wang T., Koeth J., Forchel A. «Photoreflectance spectroscopy of coupled InxGai xAs/GaAs quantum wells». Thin Solid Films Vol. 364, p. 220 (2000)

67. Pan N., Zheng X.L., Hendriks H., Carter J. «Photoreflectance characterization of AlGaAs/GaAs modulation-doped heterostructures» J. Appl. Phys. Vol. 68(5), p. 2355 (1990)

68. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Колмакова Т.П., Червяков А.В. «Исследование встроенного электрического поля в напряженных сверхрешетках GaAs/GaAsP методом спектроскопии фотоотражения», Вестн. Моск. Ун-та. Физика. Астрономия, том 1, с.45 (2004)

69. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Колмакова Т.П., Червяков А.В. «Исследование разрыва зон на гетеропереходе напряженных короткопериодных сверхрешеток GaAs/GaAsP методом спектроскопии фотоотражения», ФТП, 38(12), с. 1429 (2004)

70. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Червяков А.В. «Исследование активации примеси в InP, имплантированном ионами бериллия, методом фотоотражения» ФТП том 39(2), стр. 189 (2005)

71. Avakyants L.P., Bokov P.Yu., Chervyakov A.V., Kazakov I.P. «Photoreflectance study of GaAs/AlxGaixAs quantum well structures» Тезисы докладов 19th Condensed Matter Division conference (19th CMD), Brighton, United Kingdom 7-11 april 2002

72. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Казаков И.П., Червяков A.B. «Особенности фотоотражения в тонких пленках n-GaAs» Материалы 8 международной конференции «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V» (GaAs-2002), стр. 214, Томск, 1-4 октябрь 2002

73. Avakyants L.P., Bokov P.Yu., Chervyakov A.V., Galiev G.B., Klimov E.A., Vasil'evskij I.S. «Room temperature photoreflectance investigation of undoped and doped GaAs/AlGaAs quantum well structures» Proc. SPIE Vol. 5401, p. 605 (2003)

74. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Червяков А.В. «Особенности спектров фотоотражения InP при имплантации ионами Ве» Тезисы докладов международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика 2003», стр. 258, Санкт-Петербург, октябрь 2003

75. Avakyants L.P., Bokov P.Yu., Chervyakov A.V. «Characterization of structural and electrical properties of Be+ implanted InP by RamaniLscattering» Abstracts of 20 General Conference Condenced Matter Division EPS p. 130, Prague, 19-23 July 2004