Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАІНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ім. В.Є. ЛАШКАРЬОВА

ГЕНЦАРЬ ПЕТРО ОЛЕКСІЙОВИЧ

УДК 621.315.532

ЕЛЕКТРОННІ ЕФЕКТИ В СПЕКТРАХ ЕЛЕКТРОВІДБИВАННЯ ПРИПОВЕРХНЕВИХ ШАРІВ МАТЕРІАЛІВ ІV ТА АІІІ ВV ГРУП

01. 04. 07 - фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ - 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, Матвеєва Людмила Олександрівна, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор, Дмитрук Микола Леонтійович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, завідуючий відділом;

кандидат фізико-математичних наук, Хіврич Володимир Ілліч, Інститут ядерних досліджень НАН України, старший науковий співробітник.

Провідна установа: Інститут фізики НАН України, м. Київ

Захист відбудеться „_20” лютого 2004 р. о 1415 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К.26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: 03028, м. Київ, проспект Науки, 45

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України: 03028, м. Київ, проспект Науки, 45.

Автореферат розісланий „14” січня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К.26.199.01 Охріменко О. Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У зв'язку з інтенсивним розвитком нанофізики і наноелектроніки сучасний рівень науки і техніки потребує широкого дослідження приповерхневих шарів твердого тіла. В порівнянні з об'ємом в таких шарах можуть відбуватися суттєві зміни електронних процесів внаслідок зміни електронної зонної структури, рухливості носіїв заряду, часу їх енергетичної релаксації, наявності поверхневого потенціалу. В порівнянні з класичною спектроскопією спектроскопія електровідбивання має високу роздільну здатність в дослідженні особливостей електронної зонної структури твердого тіла. Товщина шару, яка формує сигнал електровідбивання, який спостерігається лише в особливих точках зони Бріллюена, визначається глибиною проникнення електричного поля та світла. Використання спектроскопії електровідбивання дозволяє дослідити електронні ефекти в приповерхневих шарах, зробити висновки про їх досконалість і зміни, які відбуваються в приповерхневому шарі під дією різних обробок поверхні. Матеріали IV та АІІІ ВV груп широко використовуються для виготовлення електронних приладів нового покоління, тому дослідження електронних ефектів, які проявляються в спектрах електровідбивання приповерхневих шарів цих матеріалів, є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких увійшли до дисертаційної роботи, проведені у рамках планових фундаментальних досліджень Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України по бюджетним темам: б/т № 10 “Фізичні процеси, механізми та природа формування електронних та оптичних явищ на поверхні і в приповерхневих шарах напівпровідників та систем на їх основі”, б/т №8 “Механізми впливу технології отримання і зовнішніх факторів на властивості напівпровідникових структур і функціональних елементів сенсорних систем на їх основі” держ. № 0103U000364 Рішення бюро ВФА НАН України від 27.11.2002 року №11.

Мета і задачі досліджень. Метою даної роботи є встановлення природи електронних ефектів, які формують сигнал електровідбивання в приповерхневих шарах матеріалів IV та АІІІ ВV груп. Відповідно до мети роботи програма досліджень включала рішення наступних задач:

1. Дослідити ефекти міжзонного фототунелювання і заповнення зон в спектрах електровідбивання германію.

2. Виявити особливості електронних явищ в приповерхневих шарах сильно легованих твердих розчинів германій-кремній.

3. Дослідити спектри електровідбивання арсеніда та фосфіда галію в області краю власного поглинання і встановити зв'язок між осциляціями Келдиша-Франца та електронними параметрами.

4. Встановити звязок між зіштовхувальним параметром уширення оптичних спектрів і рухливістю носіїв заряду.

Об'єктом дослідження є матеріали IV групи - германій, сильно легований твердий розчин Ge-Si та сполуки АІІІ ВV - GaAs і GaР.

Предмет дослідження: електронні ефекти в спектрах електровідбивання приповерхневих шарів та їх зміни в результаті різних обробок поверхні ( механічна, -опромінення).

Основним методом дослідження в роботі використовується електровідбивання. Допоміжними методами, в залежності від поставленої задачі, були вимірювання оптичних спектрів відбивання і порушеного повного внутрішнього відбивання, залежності ємності від напруги, еліпсометрія, рентгеноструктурний аналіз та рентгенівський мікроаналіз.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Розроблено метод відокремлення поверхневої і об'ємної складової електровідбивання, який застосовується у випадку, коли поверхнева складова ізотропна, а об'ємна анізотропна відносно орієнтації вектора поляризації тестуючого світла. Застосування метода ілюструється на прикладі аналіза спектрів електровідбивання германію в області переходів E1, E1+1 в умовах, коли електрооптичний ефект заповнення зон у поверхні діє паралельно з ефектом Келдиша-Франца.

2. Виявлено, що енергетична діаграма порушеної поверхні Ge і травленої поверхні власного германію містить екстремум. Поява такого екстремума пов'язується для порушеної поверхні Ge з неоднорідним розподілом домішок в тонкому (<4нм) структурно розпорядкованому приповерхневому шарі, в якому їх надлишкова концентрація складає не менше 1025 м-3, а для травленої поверхні власного германію із тим, що хвильова функція електронів на поверхні рівна нулю і (чи) з дією сил дзеркального відображення.

3. Отримано дані про внесок фріделівських осциляцій екранування в ємність полікристалічних твердих розчинів n-Ge1-xSix з об'ємною концентрацією електронів біля 1026 м-3 та наявність високого (біля 2108 В/м) вбудованого електричного поля в тонкій (~2 нм) приповерхневій області Ge1-xSix. Встановлена лінійна зміна m з складом розчину х.

4. Додаткова низькоенергетична структура в спектрах крайового електровідбивання GaAs пов'язується з ефектом заповнення домішкових рівнів. Розраховані електрооптичні функції ефекта заповнення донорних рівнів в спектрах n-GaAs.

5. В припущенні про незалежність процесів розсіювання фотогенерованих дірки і електрона встановлено зв'язок між зіштовхувальним параметром уширення оптичних спектрів і рухливістю носіїв заряду.

6. На основі кількісного аналізу спектрів електровідбивання GaP визначено ефективну масу і рухливість ?e електронів в мінімумі зони провідності Г6С.

7. Встановлено зв'язок між періодами осциляцій Келдиша-Франца і електронними параметрами в епітаксійних плівках n-GaAs та n-GaP.

Практичне значення одержаних результатів. Виконані в роботі дослідження електронних ефектів в приповерхневих шарах Ge, Ge1-xSix, GaAs, GaP методом електровідбивання мають значний практичний інтерес, який полягає:

- в розробці метода відокремлення поверхневої і об'ємної складової сигналу електровідбивання;

- в отриманні кількісного співвідношення між рухливістю і параметром уширення оптичних спектрів, що дозволяє оцінити рухливість вільних носіїв заряду оптичним методом;

- в тому, що отримані результати можуть бути використані при розробці радіаційної технології виготовлення приладів нового покоління на основі гомоепітаксійних плівок GaP;

- у визначенні електронних параметрів досліджених матеріалів.

Особистий внесок здобувача полягає в постановці під керівництвом наукового керівника конкретних завдань досліджень, вимірюванні спектрів електровідбивання, ємності, дослідженні впливу різних обробок поверхні (механічна, -опромінення) на спектри електровідбивання, обробці результатів експерименту, проведенні аналітичних викладок та чисельних розрахунків, написанні статей.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на республіканській конференції молодих вчених по актуальним проблемам фізики м. Дилижан 14-18 жовтня 1985 року (Вірменська РСР); на VI координаційній нараді по дослідженню і застосуванню сплавів кремній-германій, Тбілісі 1986 рік, 20-22 жовтня (Грузинська РСР); на VIII нараді по фізиці поверхневих явищ в напівпровідниках, Київ, листопад 1984 рік (Українська РСР); на IX міжнародній конференції по фізиці і технології тонких плівок, Івано-Франківськ, 2003 рік, 19-24 травня (Україна); на XVI міжнародній школі-семінарі по спектроскопії молекул і кристалів, Севастополь, 2003 рік, 25.05 - 1.06 (Україна); на IV міжнародній школі-конференції по актуальним проблемам фізики напівпровідників, Дрогобич, 2003 рік, 24-27 червня (Україна); на V міжнародній конференції по взаємодії випромінювань з твердим тілом, Мінськ, 2003 рік, 6 - 9 жовтня (Білорусія).

Публікації. Основні результати дисертації відображено у 15 наукових публікаціях, в тому числі 8 статей у провідних фахових журналах та 7 публікацій в матеріалах наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, загальних висновків та списку літератури. В роботі 140 сторінок друкованого тексту, 30 рисунків, 2 таблиці та список використаних джерел, що містить 127 найменувань.

електровідбивання шар легований кремній

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі вказано актуальність теми, зв'язок роботи з науковими програмами, сформульовано мету і задачі досліджень, об'єкт, предмет та методи дослідження, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача. Подана інформація про апробацію результатів дисертації і публікації автора, описана структура та обсяг дисертації.

В першому розділі дисертації описано вплив сильного електричного поля на власне поглинання напівпровідників, електрооптичний ефект електровідбивання, екситонний механізм електромодуляції світла в поверхневих бар'єрах та електрооптичні ефекти, що пов'язані з вільними носіями струму.

У другому розділі описана методика вимірювань спектрів електровідбивання. Приділено увагу методам створення модулюючого електричного поля, вимірювальній установці та обробці результатів вимірювань. Установка по вимірюванню спектрів електровідбивання дозволяла досліджувати відносні зміни R/R відбиваючої здатності кристалів при прикладанні до зразка постійного зміщення та змінного модулюючого електричного поля від енергії квантів , вектора поляризації світла в спектральному діапазоні 0,5 5 еВ при кімнатній температурі. Електричне поле прикладалось до зразків методом електроліту і бар'єра Шоттки. Експериментальні результати по електровідбиванню одержані на частоті першої гармоніки модуляції (f = 2,2 кГц) з пороговою чутливістю 510-6 і спектральною роздільною здатністю 310-3 еВ.

В третьому розділі викладені результати досліджень ефектів міжзонного фототунелювання і заповнення зон в спектрах електровідбивання германію та особливостей електронних явищ в сильно легованих твердих розчинах германій-кремній.

З використанням поляризаційної (тензорної) анізотропії електрооптичного ефекту запропонований метод відокремлення внесків поверхні і об'єму в сигнал елекровідбивання. Поблизу поверхні напівнескінченного монокристалічного напівпровідника виділяється перехідний шар товщиною dS з показником заломлення NS=nS+iS, який відрізняється від показника заломлення об'єму N=n+i. Проведені аналітичні розрахунки модуляції поверхневої і об'ємної діелектричної проникності в припущенні, що модуляція діелектричної проникності напівпровідника анізотропна в об'ємі V і ізотропна в приповерхневому шарі S.

По мірі зростання збагачення поверхні n-Ge(110) з n = 21023 м-3 електронами спектр електровідбивання стає майже уніполярним, а його поляризаційна анізотропія послаблюється (рис. 1). Така поведінка спектра не вписується у рамки теорії ефекту Келдиша-Франца і свідчить про виродження електронів поблизу поверхні і виникнення ізотропного ефекту заповнення зон. Спектр об'ємної складової електровідбивання (ефект Келдиша-Франца) добре узгоджується за формою і енергіями екстремумів із спектром, виміряним в області слабого збагачення.

Механічна поліровка низькоомних зразків n і р-Ge з концентрацією носіїв заряду(1023 - 1024 м-3) і орієнтацією поверхні (110) також приводить до уніполярних спектрів. Для n-Ge поляризаційна анізотропія послаблюється. При цьому на зразках з концентрацією електронів ~ 1024 м-3 спостерігається додаткова структура спектру при 2,06 еВ. Для порушеної поверхні р-Ge поляризаційна анізотропія зростає.

При аналізі уніполярних спектрів електровідбивання припускаємо існування в Ge тонкого приповерхневого шару, в якому електровідбивання практично ізотропне. Знаючи поляризаційні залежності спектру, можна відокремити ізотропну і анізотропну складові електровідбивання. Об'ємна складова електровідбивання механічно порушеної поверхні n-Ge з концентрацією електронів n = 1024 м-3 добре узгоджується із виміряною в області слабого збагачення. Ізотропна складова електровідбивання порушеної поверхні n-Ge пояснюється проявом ефекту заповнення зон, оскільки вона має однакову з ним спектральну залежність. При концентрації електронів 1024м-3 об'ємна складова електровідбивання порушеної поверхні n-Ge співпадає з виміряною в області слабого збагачення, але при меншій концентрації носіїв заряду ця складова по фазі відповідає ситуації, коли енергетичні зони в напрямку до поверхні нахилені вгору. В умовах ефекту заповнення зон така ситуація можлива лише при наявності екстремума в залежності електростатичного потенціалу напівпровідника від координати x (рис. 2). Сигнали електровідбивання, які формуються по різні сторони від екстремума, протилежні по фазі, а фаза спектра визначається фазою найбільшого із сигналів.

Наявність екстремума в залежності нахилу зон від координати випливає із аналізу спектрів електровідбивання порушеної поверхні p-Ge, який показує існування двох протилежних по фазі складових сигналу. Суттєво, що в області переходів E1 ефект заповнення зон в p-Ge відсутній, і зникнення анізотропії поверхневої складової електровідбивання викликано, ймовірно, структурною розпорядкованістю приповерхневого шару. Відмітимо, що протилежність фаз ізотропної і анізотропної складових пояснює зростання поляризаційної анізотропії електровідбивання p-Ge при механічній поліровці.

Діаграми на рис. 2 вказують на гетерування донорів поблизу порушеної поверхні n-Ge і акцепторів поблизу порушеної поверхні p-Ge. Надлишковолегований шар, який утворюється при поліровці, має товщину, що не перевищує об'ємну довжину екранування (в даному випадку біля 4 нм). Оцінку концентрації надлишкових донорів поблизу порушеної поверхні n-Ge отримуємо із рівняння Пуассона, прийнявши до уваги, що в області екстремума (x) рівень Фермі заходить в с- зону і значення d2/dx2<0. Для зразка з n=21023 м-3 отримуємо надлишкову концентрацію донорів для порушеної поверхні Nd?1025 м-3.

Накопичення донорів поблизу порушеної поверхні n-Ge пояснює причину виникнення електрооптичного ефекта заповнення зон, діючого паралельно з ефектом міжзонного фототунелювання. Додатковий екстремум в спектрі електровідбивання при 2,06 eB являє собою результат накладання сигналів фототунелювання і ефекта заповнення зон.

Для і-Ge спектр об'ємної складової (ефект Келдиша-Франца) по формі, порядку чергування домінуючих екстремумів відповідає ситуації, коли енергетичні зони в напрямку до поверхні також вигнуті вгору. Така ситуація в умовах ефекта зоповнення зон на переходах Е1 в i-Ge виникає лише при наявності екстремума в залежності електростатичного потенціалу напівпровідника від координати. В цьому випадку сигнали міжзонного фототунелювання, які формуються по різні сторони від екстремума, протилежні по фазі, і результуючий спектр повинен бути подібним до отриманого при накладанні спектрів електровідбивання зразків n -і p-типів Ge, виміряних в області збагачуючих нахилів зон в умовах, коли ефект заповнення зон відсутній. Накладання таких спектрів дійсно приводить до очікуваної форми кривої, що є додатковим свідченням існування екстремума на енергетичній діаграмі. Поява екстремума пов'язана, ймовірно, з тим, що хвильова функція електронів на поверхні рівна нулю і (чи) з дією сил дзеркального відображення.

Для твердого розчину n-Ge1-xSix з метою отримання даних про його енергетичну зонну структуру, а також про особливості електронних явищ, які відбуваються поблизу поверхні сильнолегованого напівпровідника, поміряно диференціальну ємність, оптичні спектри відбивання, порушеного повного внутрішнього відбивання та електровідбивання. Із вимірювань ємності для зразка n-Ge0,32Si0,68 отримано об'ємну концентрацію електронів N=6,251025м-3; приведений хімічний потенціал ?*=EF/kT=2; ефективну масу густини станів = 0,92m0; хвильовий вектор Фермі kF = 1,1109 м-1; довжину екранування Томаса-Фермі TF = 0,74 нм (0 = 13 визначено із вимірювань еліпсометричних параметрів твердого розчину). Отримано дані, які свідчать про квантові ефекти, що збільшують глибину проникнення електричного поля в розчин із-за зменшення електронної густини поблизу межі поділу і виникнення фріделівських осциляцій плазмового екранування.

Спектр оптичного відбивання для твердого розчину Ge0,32Si0,68 був співставлений з розрахунковою кривою, параметри якої = 13, = 0,206m0, ф=9,09110-15с дають найкращу підгонку в рамках моделі Друде. Враховуючи, що мінімум с - зони в Ge0,32Si0,68 розміщений в напрямку зони Бріллюена, із значень і маємо m = 0,99m0 , m = 0,15m0 і параметр анізотропії . В роботі також описано спектр порушеного повного внутрішнього відбивання механічно полірованої поверхні Ge0,32Si0,68. Домінуючими механізмами уширення оптичних спектрів є розсіювання носіїв заряду на заряджених домішках, а також на випадковому потенціалі, який виникає із-за флюктуацій складу розчину. В припущенні про малий ступінь компенсації зразка з використанням формули Брукса-Херрінга отримано час релаксації електронів при розсіюванні на заряджених домішках =5,610-14с. Оцінка часу релаксації AR , обумовленого розсіюванням на випадковому потенціалі, складає 3,610-14с. Враховуючи, що , ефективний час енергетичної релаксації ?= 2,210-14с.

Аналіз спектрів електровідбивання зразка n- Ge0,32Si0,68 і залежності сигналу електровідбивання від нахилу зон показав наявність в приповерхневій області напівпровідника товщиною близько 2 нм достатньо високого вбудованого електричного поля Fk величиною 2108 В/м .

В четвертому розділі розглянуто електрооптичний ефект заповнення донорних рівнів в спектрах електровідбивання n-GaAs, зв'язок зіштовхувального параметру уширення оптичних спектрів з рухливістю носіїв заряду, вплив - опромінення на спектри електровідбивання епітаксійних плівок n-GaP та радіаційно-стимульовану релаксацію внутрішніх механічних напруг в гомоепітаксійних плівках GaP. Результати аналізу експериментальних даних можна коротко підсумувати наступним чином.

Амплітуда додаткової низькоенергетичної структури в спектрах електровідбивання GaAs залежить від концентрації домішок в зразку. При низькому їх вмісту (Na+Nd 51022 м-3) додаткова структура в спектрі електровідбивання відсутня. При більш високих концентраціях домішок спостерігається вигин або слабка структура на довгохвильовому крилі сигналу для переходу E0, а при Na+Nd1024 м-3 амплітуда додаткової структури стає порівняною з амплітудою основного сигналу. Залежність амплітуди додаткової структури від прикладеної напруги являє собою криву з екстремумом, яка наближається до нуля при переході в область великих збіднених вигинів зон, де основна структура електровідбивання Е0, навпаки, максимальна по амплітуді. Опромінення епітаксійних плівок GaAs малою дозою проникаючої радіації ( - кванти, електрони) приводить до послаблення або навіть до зникнення додаткової структури.

З використанням водневоподібної моделі був виконаний розрахунок електрооптичного ефекту заповнення донорних рівнів. В цьому наближенні визначається польова модуляція коефіцієнта поглинання , обумовленого переходами електронів із валентної зони на донорні рівні при відсутності релаксаційних ефектів. Наявність релаксаційних ефектів враховано введенням феноменологічного параметра уширення Г в інтегральну згортку . Використовуючи співвідношення Крамерса-Кроніга, було обчислено модуляцію показника заломлення і відносну зміну відбиваючої здатності кристала в електричному полі.

Виходячи з принципу невизначностей Гейзенберга для енергії Е і часу t (), релаксаційні ефекти в поглинанні світла кристалом описують параметром уширення

де - час енергетичної релаксації носіїв заряду. В припущенні про незалежність процесів розсіювання фотогенерованих електрона і дірки, яке повинно виконуватись для слабо зв'язаних пар, параметр Г можна записати у вигляді

,

де me, mp - ефективні маси електрона і дірки відповідно; e, p - рухливості електрона і дірки відповідно (;). Розраховані за формулою значення Г порівнюються з експериментальними даними, отриманими при 300 К на кристалах, для яких значення Гексп мінімальні. Отримано емпіричну залежність (Г) для епітаксійних плівок n-GaAs (рис. 3).

Досліджуючи вплив - опромінення на спектри електровідбивання епітаксійних плівок n-GaP, одночасно вивчалась і енергетична зонна структура цього матеріалу. Експериментальні спектри електровідбивання містять осциляції Келдиша-Франца, які накладаються на порівняно слабкий сигнал електровідбивання, обумовлений переходами із спін-орбітально відщепленої валентної зони. Це вказує на те, що наближення слабого поля в умовах вимірювань не виконується, і тому теоретичний розрахунок спектральної кривої електровідбивання виконаний чисельно з використанням уширених функцій Ейрі. Оцінено значення ефективної маси електронів для мінімуму зони провідності Г6с в центрі зони Бріллюена [] та розрахована теоретична рухливість електронів, яка рівна . Визначено величину спін-орбітального розщеплення в GaP. Опромінення епітаксійних плівок n-GaP з концентрацією вільних електронів дозою 2105 Р приводить до збільшення часу їх енергетичної релаксації від 4,510-15 с до 8,210-15 с. Метод електровідбивання використовувався також для вивчення впливу - опромінення на внутрішні механічні напруження в гомоепітаксійних плівках GaP. Під дією - опромінення дозою 2105 Р механічні напруження стиску в плівці n-GaP зменшуються на величину 7,9108 Па.

В п'ятому розділі проаналізовано зв'язок між осциляціями Келдиша-Франца та електронними параметрами в епітаксійних плівках n-GaAs та n-GaР. Використовуючи інформативність сильно польових спектрів електровідбивання вказаних матеріалів, проаналізовано зв'язок між періодами осциляцій Келдиша-Франца та електронними параметрами епітаксійних плівок. Із аналізу спектрів електровідбивання були визначені величини енергії електронного переходу Е0, електрооптичної енергії , поверхневого електричного поля FS, зіштовхувального параметру уширення Г, енергетичного часу релаксації носіїв заряду ? і фазового фактора . Показано, що експериментальні спектри електровідбивання епітаксійних плівок добре узгоджуються з теоретичними спектрами, розрахованими в наближенні одноелектронної теорії при отриманих параметрах. На рисунку 4а показано спектр електровідбивання епітаксійної плівки n-GaP (111) з концентрацією електронів n = 31022 м-3. Там же пунктирною кривою показано теоретичну криву, отриману у наближенні одноелектронної теорії з використанням отриманих параметрів ; ; . На рисунку 4б показана залежність від номеру осциляції m для експериментального спектру, показаного на рисунку 4а. Дана залежність дозволила знайти із нахилу прямої електрооптичну енергію і фазовий фактор із перетину прямої із віссю абсцис.

б - Залежність від номеру осциляції m для даної плівки.

При по формулам

,

,

де m = 2, 3, 4, … було обчислено значення для епітаксійних плівок n-GaP (111) з концентрацією електронів n = 3·1022 м-3 та n-GaAs (100) з концентрацією електронів n = 5·1023 м-3 (значення ?Em взято із експериментальних спектрів електровідбивання).

ВИСНОВКИ

1. Розроблено метод відокремлення поверхневої і об'ємної складових електровідбивання, який застосовується у випадку, коли поверхнева складова ізотропна, а об'ємна анізотропна відносно орієнтації вектора поляризації тестуючого світла. Дія метода ілюструється на прикладі аналізу спектрів електровідбивання n-Ge, механічно порушеної поверхні германію, власного Ge в області переходів , в умовах, коли електрооптичний ефект заповнення зон у поверхні діє паралельно з ефектом Келдиша-Франца.

2. Виявлено, що енергетична діаграма порушеної поверхні германію і травленої поверхні власного германію містить екстремум. Поява такого екстремума пов'язується для порушеної поверхні Ge з неоднорідним розподілом домішок в тонкому (< 4 нм) структурно розпорядкованому приповерхневому шарі, в якому їх надлишкова концентрація складає не менше1025 м-3, а для травленої поверхні власного германію з тим, що хвильова функція електронів на поверхні рівна нулю і (чи) з дією сил дзеркального відображення.

3. Досліджені диференціальна ємність і оптичні спектри (відбивання, порушеного повного внутрішнього відбивання і електровідбивання) полікристалічних твердих розчинів n-Ge1-xSix з концентрацією електронів біля 1026 м-3. Отримані параметри енергетичної зонної структури (, , , ) і час енергетичної релаксації вільних носіїв заряду. Встановлено лінійну зміну з складом твердого розчину x. Зроблений висновок про наявність сильного ( біля ) вбудованого контактного електричного поля в тонкій () приповерхневій області Ge1-xSix. Отримані дані свідчать про внесок фріделівських осциляцій екранування в ємність.

4. Досліджені додаткові низькоенергетичні структури в спектрах крайового електровідбивання GaAs. Відмічено, що амплітуда додаткових структур залежить від концентрації домішок в зразку і від використаної обробки. Опромінення малою дозою проникаючої радіації приводить, зокрема, до послаблення (навіть до зникнення) додаткової структури. Походження додаткових структур в спектрах електровідбивання GaAs пов'язано із модуляцією заповнення домішкових рівнів. Розраховані електрооптичні функції цього ефекту. Показано, що використання цього механізму дозволяє пояснити форму і амплітуду спостережуваних додаткових смуг.

5. В припущенні про незалежність процесів розсіювання фотогенерованих дірки і електрона встановлено кількісне співвідношення між рухливістю носіїв заряду і зіштовхувальним параметром уширення оптичних спектрів.

6. На основі кількісного аналізу спектрів електровідбивання GaP розраховані ефективна маса і рухливість електронів в мінімумі зони провідності Г6С, величина спін-орбітального розщеплення .

7. Показано, що після опромінення гомоепітаксійних плівок n-GaP малою дозою проникаючої радіації збільшується час енергетичної релаксації носіїв заряду та зменшуються внутрішні механічні напруження стиску на величину .

8. Проаналізовано зв'язок між періодами осциляцій Келдиша-Франца і електронними параметрами в епітаксійних плівках n-GaAs та n-GaP. Із аналізу спектрів електровідбивання розраховані величини енергії електронного переходу Е0, електрооптичної енергії , поверхневого електричного поля FS, зіштовхувального параметру уширення Г, енергетичного часу релаксації носіїв заряду і фазового фактора .

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Евстигнеев А.М., Генцар П.А., Груша С.А., Конакова Р.В., Красико А.Н., Снитко О.В. Эффект заполнения примесных уровней в спектрах поверхностно-барьерного электроотражения GaAs // ФТП. - 1985. - Том 19, №4. - С. 678-681.

2. Евстигнеев А.М., Снитко О.В., Артамонов Л.В., Генцар П.А., Красико А.Н. Вклад поверхности в эффект электроотражения и его выделение при наличии поляризационной анизотропии // УФЖ. - 1986. - Том 31, № 5, - С. 756-759.

3. Евстигнеев А.М., Снитко О.В., Красико А.Н., Генцар П.А., Моздор Е.В. Исследование механически нарушенной поверхности германия методом анизотропного электроотражения // УФЖ. - 1987. - Том 32, №2. - С.269-272.

4. Гужва О.И., Генцар П.А., Евстигнеев А.М., Красико А.Н., Марчук Н.Д., Николаева Т.Н., Снитко О.В., Черкашин В.П. Оптические и электрофизические свойства сильно легированных сплавов n-Ge1-xSix // ФТП. 1987. - Том 21, №8. - С. 1408-1412.

5. Евстигнеев А.М., Генцар П.А., Груша С.А., Конакова Р.В., Красико А.Н., Снитко О.В., Тхорик Ю.А. Столкновительное уширение оптических спектров и его связь с подвижностью // ФТП. - 1987. - Том 21, №6. - С. 1138-1141.

6. Груша С.А., Евстигнеев А.М., Конакова Р.В., Тхорик Ю.А., Красико А.Н., Генцар П.А., Снитко О.В. Влияние - радиации на спектры электроотражения эпитаксиальных пленок n-GaP // Поверхность - 1990. - № 6. С. 155-157.

7. Генцарь П.О., Матвеєва Л.О., Демчина Л.А., Венгер Є.Ф. Контроль структурної досконалості епітаксійних плівок n-GaAs методом електровідбивання // Фізика і хімія твердого тіла. - 2003. - Том 5, №2. - С. 237-242.

8. Gentsar P.A., Matveeva L.A., Kudryavtsev A.A., Venger E.F. Effects of interband phototunneling and filling the bands in electroreflection spectra of germanium // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2003. - Vol.6, №2. - P. 141-146.

9. Евстигнеев А.М., Снитко О.В., Груша С.А., Красико А.Н., Генцар П.А. Эффект заполнения примесных уровней в спектрах поверхностно-барьерного электроотражения GaAs // Тез. докладов VIII совещания по физике поверхностных явлений в полупроводниках. - Часть I. - Киев (УРСР). - 1984. С. 111-113.

10. Генцар П.А. Эффекты межзонного фототуннелирования и заполнения зон в спектрах электроотражения германия // Тезисы докладов республ. конф. молодых ученых по актуальным проблемам физики. - Дилижан: Изд. АН Армянской ССР. - 1985. - С. 249.

11. Гужва О.И., Генцар П.А., Евстигнеев А.М., Красико А.Н., Марчук Н.Д., Николаева Т.Н., Снитко О.В., Черкашин В.П. Оптические свойства, электроотражение и емкость слоя пространственного заряда сильнолегированных сплавов Ge1-xSix // Тез. докладов VI координационного совещания по исследованию и применению сплавов кремний - германий. - Тбилиси. - 1986. - С. 102-104.

12. Gentsar P.A., Matveeva L.A., Venger E.F. Polarization modulation spectroscopy (electroreflectance) of Ge crystals // Proc. XVI International School-Sem. “Spectroscopy of molecules and crystals”. - Sevastopol (Ukraine). - 2003. - P. 115.

13. Венгер Є.Ф., Генцарь П.О., Матвеєва Л.О., Клименко А.П. Електровідбивання і енергетичний спектр кристалів, сплавів і тонких плівок твердих розчинів германій-кремній // Матер. ІХ міжнар. конф. “Фізика і технологія тонких плівок” (МКФТТП-ІХ). - Том 2. - Івано-Франківськ (Україна). - 2003. - С. 143-144.

14. Генцарь П.О., Матвеєва Л.О., Венгер Є.Ф. Електрооптичний ефект заповнення донорних рівнів в спектрах крайового електровідбивання GaAs // Матер. ІV міжнар. школи - конф. “Актуальні проблеми фізики напівпровідників”. - Дрогобич (Україна). - 2003. - С. 141.

15. Генцар П.О., Матвеева Л.О., Венгер Е.Ф. Улучшение структурного совершенства эпитаксиальных пленок n-GaP под воздействием -облучения // Матер. Пятой междун. конф. “Взаимодействие излучений с твердым телом” (ВИТТ-2003). - Минск (Беларусь). - 2003. - С. 231-233.

АНОТАЦІЯ

Генцарь П.О. “Електронні ефекти в спектрах електровідбивання приповерхневих шарів матеріалів ІV та АІІІ ВV груп”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2004.

Дисертація присвячена дослідженню ефектів міжзонного фототунелювання і заповнення зон в спектрах електровідбивання германію, особливостей електронних явищ в сильно легованих твердих розчинах германій-кремній та GaAs i GaP в області краю власного поглинання.

Розроблено метод відокремлення поверхневої і об'ємної складових електровідбивання. Отримано дані про внесок фріделівських осциляцій екранування в ємність полікристалічних твердих розчинів n-Ge1-xSix з об'ємною концентрацією електронів біля 1026 м-3 та наявність високого (біля ) вбудованого електричного поля в тонкій (~2 нм) приповерхневій області Ge1-xSix. Встановлено лінійна зміна з складом розчину . Встановлено зв'язок між рухливістю носіїв заряду та зіштовхувальним параметром уширення оптичних спектрів в припущенні про незалежність процесів розсіювання фотогенерованих дірки і електрона та зв'язок між періодами осциляцій Келдиша-Франца і електронними параметрами приповерхневих шарів.

Ключові слова: електровідбивання, приповерхневий шар, ефект Келдиша-Франца, ефект заповнення зон, зіштовхувальний параметр уширення.

АННОТАЦИЯ

Генцар П.А. “Электронные эффекты в спектрах электроотражения приповерхностных слоев материалов ІV и АІІІ ВV групп”. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела . - Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины, Киев, 2004.

Диссертация посвящена исследованию эффектов межзонного фототуннелирования и заполнения зон в спектрах электроотражения германия, особенностей электронных явлений, протекающих вблизи поверхности вырожденного сплава n-Ge1-xSix, а также GaAs и GaP в области края собственного поглощения.

Разработан метод разделения вкладов поверхности и объема в сигнал электроотражения, который используется в случае, когда поверхностная составляющая электроотражения изотропна, а объемная анизотропная относительно вектора поляризации тестирующего света. Действие этого метода иллюстрируется на примере анализа спектров электроотражения германия в области переходов E1, E1 + 1 в условиях, когда электрооптический эффект заполнения зон у поверхности действует параллельно с эффектом Келдыша-Франца. Показано, что энергетическая диаграмма нарушенной поверхности германия и травленной поверхности собственного германия имеет экстремум. Появление такого экстремума связывается для нарушенной поверхности Ge с неоднородным распределением примесей в тонком (< 4 нм) структурно разупорядоченном приповерхностном слое, в котором их избыточная концентрация составляет не менее , а для травленной поверхности собственного германия - с занулением волновой функции электронов на поверхности и (или) с действием сил зеркального отображения.

Исследованы дифференциальная емкость и оптические спектры (отражения, нарушенного полного внутреннего отражения и электроотражения) поликристаллических твердых растворов n-Ge1-xSix с концентрацией электронов около . Получены параметры энергетической зонной структуры ( , , , ) и время релаксации свободных носителей заряда. Установлено линейное изменение с составом твердого раствора x. Сделан вывод о наличии сильного (около ) встроенного контактного электрического поля в тонкой () приповерхностной области Ge1-xSix. Получены данные, свидетельствующие о вкладе фриделевских осцилляций экранирования в емкость твердого раствора.

Рассмотрен электрооптический эффект заполнения донорных уровней в спектрах электроотражения GaAs. Установлена связь между столкновительным параметром уширения краевых оптических спектров и подвижностью носителей заряда в предположении о независимости процессов рассеяния фотогенерированных электронов и дырок. Из количественного анализа спектров электроотражения GaP дано экспериментальную оценку эффективной массы електрона и подвижности в минимуме зоны проводимости , величины спин-орбитального расщепления . Показано, что после облучения гомоэпитаксиальных пленок n-GaP малой дозой проникающей радиации увеличивается время энергетической релаксации носителей заряда и уменьшаются внутренние механические напряжения. Проанализовано связь между периодами осцилляций Келдыша-Франца Еm и электронными параметрами в эпитаксиальных пленках n-GaAs и n-GaP. Из анализа спектров электроотражения определены величины энергии электронного перехода Е0, электрооптической энергии , поверхностного электрического поля FS, столкновительного параметра уширення Г, энергетического времени релаксации носителей заряда и фазового фактора .

Ключевые слова: электроотражение, приповерхностный слой, эффект Келдыша-Франца, эффект заполнения зон, столкновительный параметр уширения.

ABSTRACT

Gentsar P.O. “Electron effects in electroreflectance spectra of subsurface layers in materials of the fourth and AIIIBV groups”. - Manuscript.

The thesis for a candidate of degree in physics and mathemetics by the speciality 01.04.07 - solid state physics. - V.Lashkaryov Instutute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, 2004.

The thesis is devoted to the investigation of effects of interband phototunneling and filling the bands in spectra of electroreflectance of germanium, features of electron phenomena in heavily doped solid solutions of Ge - Si, GaAs and GaP in the range of the fundamental absorption edge. Developed is the method of separation of surface and bulk components in electroreflectance. Obtained are data upon the contribution of the Friedel screen oscillations into the capacity of polycrystalline n-Ge1-xSix solid solutions with the bulk electron concentration close to 1026 m-3 and presence of high (approximately 2.108 V.m-1) built-in electric field in a thin (~2 nm) subsurface region of Ge1-xSix . A linear variation of m with the solution composition x is found. The relation between the charge carrier mobility and collision parameter of broadening the optical spectra in assumption of independency between scattering processes for the photogenerated electron and hole as well as the relation between periods of the Keldysh-Franz oscillations Em and electron parameters of subsurface layers are ascertained.

Keywords: electroreflectance, subsurface layer, Keldysh-Franz effect, band-filling effect, collision parameter of widening.

Размещено на Allbest.ur