Фотолюминесцентная спектроскопия полупроводниковых наноструктур с планарно-неоднородными слоями

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Диссертационная работа посвящена разработке, обоснованию и применению нового подхода к исследованию физических свойств квантово-размерных структур различных типов. Этот подход основан на использовании планарно-неоднородных структур и разработанного в диссертации спектрально-корреляционного метода (СКМ) их исследования и обеспечивает возможность прецизионного изменения в процессе эксперимента технологически сформированных параметров этих структур, таких, как толщины квантово-размерных слоев, их компонентный состав. Продемонстрирован ряд конкретных вариантов применения предложенного метода при исследовании наноструктур на основе системы AlGaAs-GaAs-InGaAs. В качестве инструмента измерений использовалась фотолюминесцентная спектроскопия при температуре 77 К.

Актуальность темы.

В настоящее время продолжаются интенсивные теоретические и экспериментальные исследования твердотельных структур, размеры которых в одном, двух или трех направлениях сравнимы с де-бройлевской длиной волны носителей заряда. В таких структурах (наноструктурах) энергетический спектр носителей становится квазидискретным или полностью дискретным. Это приводит к проявлению в таких структурах ряда физических эффектов, которые широко исследуются и используются во многих направлениях твердотельной электроники. Экспериментальная возможность таких исследований обеспечена современными успехами нанотехнологии.

Основой создания большого класса наноструктур является технология молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), позволяющая выращивать полупроводниковые слои с толщинами порядка нескольких моноатомных слоев. При большом разнообразии эпитаксиальных наноструктур особое значение приобретают исследования влияния параметров, определяющих слоевую конфигурацию структуры и сформированных технологически (например, толщины квантово - размерных слоев, состава отдельных слоев, уровня их легирования и т. д.) на ее физические свойства. Такие параметры определяют вид потенциала, ограничивающего движение носителей заряда и, таким образом, непосредственно влияют на экспериментальные проявления процессов размерного квантования.

Как правило, для исследования в полупроводниковых наноструктурах зависимостей какой - либо физической величины от меняющихся параметров структуры используют ограниченную серию планарно-однородных образцов с вариацией какого - либо параметра. Такой подход традиционно имеет место при исследованиях с вариацией технологически формируемых параметров независимо от используемого физического метода исследования. Как правило, в экспериментальных работах такого плана объем эксперимента с изменением одного параметра ограничиваются серией из нескольких образцов. При этом дискретный набор значений варьируемого параметра не всегда достаточно полно выявляет особенности исследуемого явления.

Следует отметить, что возможности такого эксперимента существенно отличают его от ситуации, когда варьируемый в процессе исследования параметр может изменяться непрерывным образом, или с достаточно малым шагом дискретности. В таких случаях появляется возможность получать информацию о физических процессах в исследуемой структуре, анализируя относительно слабо выраженные особенности получаемых в эксперименте зависимостей.

Результаты диссертации показывают, что возможность прецизионной вариации в процессе экспериментов тех параметров наноструктур, которые прямо определяют условия квантово-размерных явлений, может дать важную информацию об этих явлениях. В условиях большого многообразия различных типов наноструктур, исследуемых и используемых в настоящее время, развитие нового альтернативного метода их исследования может представлять интерес для изучения различных физических процессов в таких структурах.

Настоящая работа посвящена разработке и применению такого альтернативного подхода, на основе использования планарно-неоднородных слоев и разработанного в диссертации спектрально-корреляционного метода исследования наноструктур. Рассмотрены варианты применения предложенного метода к исследованию ряда наноструктур (изолированных квантовых ям, туннельно-связанных квантовых ям, структур с электронными д-сломи), созданных по технологии МЛЭ на основе системы AlGaAs-GaAs-InGaAs, которая в настоящее время активно исследуется. Актуальность проведенных в диссертации исследований определяется новыми возможностями, возникающими в рамках предложенного в диссертации метода исследования.

Цель работы.

Целью настоящей работы является:

поиск и обоснование нового эффективного подхода к исследованию широкого класса наноструктур, дающего возможность их изучения с прецизионным изменением их параметров, формируемых технологически;

изучение возможностей разработанного в рамках нового подхода спектрально-корреляционного метода исследования на примере исследования фотолюминесценции (ФЛ) наноструктур различных типов, созданных на основе GaAs;

изучение природы экспериментальных проявлений, анализ которых становится возможным с применением разработанного метода исследования.

Научная новизна работы

1. Предложен, разработан и экспериментально продемонстрирован новый спектрально-корреляционный метод исследования физических процессов в квантово-размерных структурах. Этот метод позволяет осуществлять в процессе спектроскопического исследования специально создаваемых планарно-неоднородных структур контролируемое прецизионное изменение технологически сформированных параметров, таких, как толщины, квантово-размерных слоев, их компонентный состав. Этим обеспечивается возможность получения и анализа экспериментальных зависимостей квазинепрерывного характера, при исследовании каждого экспериментального образца.

2. На основе разработанного метода проведен комплекс исследований квантово-размерных структур различных классов (изолированных квантовых ям (КЯ), туннельно-связанных КЯ, структур с электронными д-слоями) для которых экспериментально получены зависимости параметров фотолюминесценции от параметров их полупроводниковой структуры (толщин и компонентного состава наноразмерных слоев). Эти зависимости получены впервые, характеризуются прецизионным изменением варьируемых параметров и имеют квазинепрерывный характер.

3. Впервые обнаружен ряд особенностей полученных экспериментальных зависимостей, которые объяснены влиянием физических процессов различной природы на параметры фотолюминесценции исследованных структур.

4. Предложена и впервые исследована при помощи спектрально-корреляционного метода полупроводниковая структура, содержащая два близко расположенные д-слоя n-типа в слое GaAs и внедренную симметрично между ними узкую InGaAs квантовую яму. При исследовании этой структуры в условиях прецизионной вариации ее структурных параметров впервые удалось наблюдать интенсивные многокомпонентные спектры ФЛ, связанные с системой 2D электронных подзон в д-легированных слоях n-типа и обнаружить ряд экспериментальных эффектов, проявляющихся в фотолюминесцентных свойствах такой структуры.

Сформулировано положение о латеральной локализации дырок в минимумах потенциального рельефа, определяемого примесным флуктуационным потенциалом вблизи д - слоев, которое позволяет объяснить с единой точки зрения все отмеченные особенности наблюдаемой экспериментальной картины, а также многочисленные результаты исследования ФЛ в д-слоях, представленные в литературе и демонстрирующие существенное различие спектров ФЛ n-i-p-i и n-i-n-i структур, а также одиночных д - слоев.

5. Проведено систематизированное исследование влияния слабого внутреннего поперечного электрического поля на процессы ФЛ в КЯ. В результате экспериментов с применением СКМ, а также экспериментов по прямому воздействию поперечного электрического поля на структуры с квантовыми ямами установлено, что поперечное электрическое поле относительно низкой напряженности (~ 103 В/см) может сильно влиять на интенсивность ФЛ наноструктур в связи с полевой зависимостью процессов релаксации фотогенерированных носителей.

6. Проанализированы методологические, технологические, аппаратурные аспекты реализации СКМ для исследования наноструктур и результаты его применения для конкретных задачах. Показано, что разработанный спектрально-корреляционный метод является эффективным средством исследования физических процессов в наноструктурах, позволяет существенно дополнить возможности существующих способов их исследования. Он может также служить основой для развития нового направления при исследований физических свойств наноструктур. Рассмотрены возможные аспекты развития этого направления.

Практическая значимость работы.

1. Предложен и методологически разработан новый, доступный практически и эффективный спектрально-корреляционный метод исследования слоевых полупроводниковых структур, позволяющий изучать влияние технологически сформированных параметров квантово-размерных структур на их свойства в условиях прецизионного изменения значений этих параметров.

2. С использованием разработанного метода.

- продемонстрирована возможность получения в процессе исследования каждой исследуемой полупроводниковой пластины серий экспериментальных зависимостей квазинепрерывного характера при вариации параметров, определяющих конфигурацию квантово-размерных слоев исследуемой структуры и ее пространственный энергетический профиль;

- получены экспериментальные зависимости, определяющие возможность разработки новых методов оценки физических параметров полупроводниковой структуры, таких, как параметры рельефа гетегограниц, отношение разрывов энергетических зон на гетерогранице, величина внутреннего электрического поля полупроводниковой структуры, характеристики примесного флуктуационного потенциала, продемонстрированы некоторые примеры таких оценок;

проведен комплекс исследований наноструктур различных классов, иллюстрирующий возможности метода, многообразие методологических вариантов его применения, широкий спектр явлений, при исследовании которых он может быть эффективно применен.

Проанализированы технологические, методологические, аппаратурные аспекты применения и дальнейшего развития метода.

3. Предложена и исследована структура состоящая из двух Si д-легированных слоев n-типа и расположенной симметрично между ними узкой квантовой ямы. Такая структура позволяет наблюдать и исследовать интенсивные многокомпонентные спектры ФЛ, связанные с системой 2D электронных подзон в д-легированных слоях n-типа. На примере исследования этой структуры впервые продемонстрирована возможность регистрации экспериментальных зависимостей при прецизионном независимом изменении двух параметров исследуемой структуры в условиях двухпараметрической латеральной неоднородности ее слоев.

4. Проведено систематизированное исследование влияния слабого поперечного электрического поля на процессы релаксации фотогенерированных носителей в КЯ, проявляющиеся в параметрах фотолюминесценции наноструктур.

5. Предложен новый принцип построения азотных криогенных систем для исследования полупроводниковых пластин, основанный на охлаждении и защите исследуемого образца динамической атмосферой испаряющегося азота, на его основе создан оптический криостат, ориентированный на проведение исследований спектрально-корреляционным методом.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Разработан новый спектрально-корреляционный метод исследования квантово-размерных структур, позволяющий на основе использования специально создаваемых экспериментальных планарно-неоднородных полупроводниковых структур получать экспериментальные данные, осуществляя в процессе эксперимента контролируемое прецизионное изменение параметров квантово-размерных структур, сформированных технологически и определяющих конфигурацию их слоев и их пространственный энергетический профиль.

2. Разработанный метод характеризуется значительным разнообразием методологических вариантов применения и обеспечивает возможность в процессе исследования каждого экспериментального образца (полупроводниковой пластины) получать статистически представительную совокупность экспериментальных данных, которые могут быть представлены в виде серии (серий) экспериментальных зависимостей квазинепрерывного характера.

3. Результаты проведенного при помощи спектрально-корреляционного метода исследования изолированных и туннельно-связанных КЯ, проявившиеся в виде ряда зафиксированных особенностей полученных зависимостей, отражают:

влияние процессов рекомбинации экситонов, особенностей рельефа гетерограниц, параметров зонной структуры слоев, величины внутреннего поперечного электрического поля полупроводниковой структуры на вид взаимных зависимостей энергетических положений линий фотолюминесценции изолированных КЯ с технологически заданным отношением значений их ширины;

влияние процессов релаксации фотогенерированных носителей, их латерального движения в слое КЯ, структуры квантовых подзон КЯ на зависимости интенсивности фотолюминесценции КЯ от их ширины;

- влияние процесса туннелирования электронов, «прямых» и «непрямых» (в координатном пространстве) оптических переходов, внутреннего поперечного электрического поля структуры, экситонных рекомбинационных процессов на зависимости параметров ФЛ системы двух туннельно-связанных КЯ от ширины туннельного барьера.

4. Результаты комплексного исследования влияния поперечного электрического поля на ФЛ квантовых ям показывают возможность сильного влияния внутреннего электрического поля относительно малой величины (~ 103 В/см) на параметры интенсивности спектров ФЛ наноструктур вследствие полевой зависимости процессов захвата фотогенерированных носителей на локализованные состояния этих структур.

5. Предложенная полупроводниковая структура, включающая два близко расположенных д-слоя n-типа, сформированных в слое GaAs и внедренную симметрично между ними InGaAs квантовую яму позволяет регистрировать и исследовать интенсивные многокомпонентные спектры ФЛ, связанные с системой 2D-электронных подзон в д-легированных слоях n-типа, благодаря формирующемуся в КЯ двумерному дырочному слою, обеспечивающему условия прямых (в квазиимпульсном пространстве) оптических переходов.

Результаты исследования ФЛ этой структуры при помощи СКМ показывают возможность изменять в широких пределах интенсивность ФЛ, связанной с 2D-электронным газом д-слоев, влияя на параметры флуктуационного потенциала в области КЯ и изменяя таким образом степень латеральной локализации дырок на неоднородностях флуктуационного потенциала.

Положение о локализации дырок в минимумах потенциального рельефа флуктуационного потенциала вблизи д - слоев позволяет объяснить с единой точки зрения ряд зафиксированных особенностей экспериментально наблюдаемой картины изменения ФЛ исследованной системы д - слоев, а также многие результаты исследования ФЛ в д - слоях, представленные в литературе и демонстрирующие существенное различие спектров ФЛ n-i-p-i , n-i-n-i структур и одиночных д - слоев.

6. Совокупность полученных в процессе применения спектрально-корреляционного метода научных и практических результатов, проведенный анализ его характеристик и возможностей позволяют считать предложенный метод исследования представляющим интерес. Этот метод может быть положен в основу нового направления исследования полупроводниковых наноструктур с использованием латерально - неоднородных слоев.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы, в том числе 11 статей в научных журналах, 8 публикаций в сборниках тезисов докладов и трудов конференций, 2 изобретения, в том числе 1 патент.

Личный вклад автора состоит в предложении и разработке идеи исследования свойств квантово-размерных структур с прецизионным изменением их важнейших параметров, нахождении способа ее практической реализации в рамках спектрально-корреляционного метода исследования слоевых полупроводниковых структур, в формировании комплекса экспериментов, направленных на выявление возможностей метода, его методологических особенностей, области эффективного применения и на обоснование его эффективности, а также в проведении этих экспериментов. Эта работа включала в себя разработку конфигурации слоевой структуры каждого исследованного новым методом образца, исследование экспериментальных образцов методом ФЛ спектроскопии, обработку данных этих экспериментов и интерпретацию полученных результатов, а также участие совместно с соавторами в обсуждении и анализе результатов и подготовке статей и докладов. Лично автором был предложен и реализован в созданной конструкции криостата новый принцип построения азотных криогенных систем для исследования полупроводниковых пластин. В диссертацию вошли работы, связанные с проведением расчетов параметров оптических переходов в исследованных квантово-размерных структурах, выполненные с участием соавторов. В этих работах личный вклад автора заключается в участии в постановке задачи, в проведении расчетов для конкретных конфигураций и параметров наноструктур с использованием вычислительных программ, анализе результатов расчета, участии в обсуждении и изложении результатов. Технологические аспекты работы и вопросы создания экспериментальных структур обсуждались и выполнялись совместно с соавторами.

1. Общие вопросы построения разработанного спектрально-корреляционного метода исследования квантово-размерных структур и вопросы реализации его с применением фотолюминесцентной спектроскопии

Изложена идея метода и сформулированы основные положения, определяющие порядок осуществления эксперимента на его основе, рассмотрены принципы формирования необходимых для его реализации экспериментальных латерально-неоднородных полупроводниковых структур.

Идея разработанного спектрально - корреляционного метода исследования наноструктур основывается на возможности контролируемой вариации параметров наноструктур в пределах специально создаваемых латерально-неоднородных эпитаксиальных слоев. В этом случае аналогом серии однородных образцов с меняющимся параметром (например, толщина слоя, его состав и т.д.), является один образец с встроенной планарной неоднородностью этого параметра. Метод предполагает исследование многослойных полупроводниковых структур, включающих в себя сочетания планарно - однородных и скоррелированных планарно - неоднородных слоев. При этом структура должна содержать вместе с исследуемой латерально-неоднородной структурой также вспомогательную латерально-неоднородную структуру, несущую информацию о параметрах встроенной неоднородности. Для экспериментального анализа таких структур предполагается использовать спектроскопические методы исследования с достаточно хорошим пространственным разрешением, позволяющие одновременно с особенностями спектров, относящихся к локальной области исследуемой структуры, наблюдать особенности, связанные с вспомогательной структурой и характеризующие значение варьируемого параметра в каждой исследуемой локально области неоднородного образца.

Таким образом, в рамках одного эксперимента при локальном (в разных точках поверхности) исследовании образца можно получить информацию как об исследуемой, так и о вспомогательной структурах, оценить их взаимную зависимость и, таким образом, проанализировать особенности исследуемого явления при изменяющихся параметрах структуры.

В этом разделе в общем виде рассмотрены схемы проведения эксперимента в случаях однопараметрического и двухпараметрического характера неоднородности экспериментального образца, а также обсуждается возможность различных вариантов реализации метода в рамках сформулированных общих принципов его построения. Рассмотрены важнейшие позитивные стороны реализуемого подхода.

Рассмотрены технологические аспекты реализации СКМ на базе одной из наиболее прецизионных современных технологий - молекулярно-лучевой эпитаксии. Рассмотрены возможности контролируемого создания при помощи МЛЭ латерально-неоднородных эпитаксиальных слоев путем остановки вращения подложки во время роста слоя. На основе анализа литературных данных обоснована возможность получения таких слоев в системе AlGaAs-GaAs-InGaAs при одновременном обеспечении их высокого кристаллического совершенства.

Дана краткая характеристика возможностей ФЛ спектроскопии с точки зрения ее эффективного применения в составе СКМ. Рассмотрены вопросы оценки параметров латеральной неоднородности экспериментальных образцов в процессе применения СКМ по результатам ФЛ анализа квантовых ям, как составляющих элементов вспомогательных структур, а также вопросы выбора значений исходных величин для расчета оптических переходов в исследуемых и вспомогательных структурах на основе численного решения уравнения Шредингера.

Посвящен аппаратурным аспектам излагаемой работы. В нем дано краткое описание установки ФЛ анализа, и условий экспериментов - возбуждение ФЛ светом с длиной волны 488 нм и плотностью мощности до 200 Вт/см2 с локальностью ~50 мкм при температуре 77К. Описана предложенная оригинальная конструкция азотного оптического криостата для исследования полупроводниковых пластин, созданного на основе охлаждения и защиты поверхности исследуемого образца динамической атмосферой испаряющегося азота и ориентированного на работу с учетом особенностей СКМ.

2. Исследование изолированных КЯ в составе двух экспериментальных образцов (образцы А и В), реализующих различные в методологическом отношении условия применения СКМ

На образце А реализованы наиболее сложные для результативности эксперимента условия применения метода, он представлял собой структуру, содержащую две КЯ AlGaAs-GaAs и две КЯ GaAs-InGaAs разной ширины, выполненную на подложке диаметром 76 мм и имеющую латеральную неоднородность во всех эпитаксиальных слоях кроме буферного. В результате исследования образца А оценены диапазоны изменения параметров эпитаксиальных слоев в пределах созданной их латеральной неоднородности, отмечено достаточно высокое качество этих слоев во всем диапазоне неоднородности, что обеспечивает возможность применения СКМ с использованием ФЛ.

На рис. 1 показаны некоторые из зависимостей, полученных на образце А в условиях прецизионного изменения значений ширины двух КЯ AlGaAs-GaAs при постоянном отношении этих значений. Кривая 1 отражает взаимную зависимость энергетических положений линий ФЛ узкой (ЕN) и широкой (ЕW) КЯ, а кривая 2 - зависимость интенсивности (IN) ФЛ узкой КЯ от значения (ЕW). Значения параметра ЕW могут быть преобразованы в значения ширины КЯ, поэтому ЕW рассматривался как обобщенный параметр толщины слоев. В рассматриваемом случае параметрами исследуемой структуры можно считать параметры ЕN и IN, а параметром вспомогательной структуры - параметр ЕW.

Полученные зависимости демонстрируют статистически представительную совокупность экспериментальных данных, которая дает возможность детального их анализа, в том числе проводя оценку параметров исследуемой структуры на основе теоретической модели рассматриваемых процессов. Проведение подобного анализа на ограниченной серии латерально-однородных образцов, как правило, затруднительно. Соответствие экспериментальной зависимости ЕN(ЕW) расчетной кривой 3 объяснено в рамках модели экситонных переходов в условиях мелкомасштабного рельефа нерезких гетерограниц рассматриваемых КЯ.

Эти представления позволили сделать вывод о влиянии рельефа гетерограниц на интенсивность ФЛ узкой КЯ, обнаруживающей спад при уменьшении ширины КЯ (зависимость 2, рис. 1). Параметры, определяемые пересечением прямой, экстраполирующей спад интенсивности, с осью абсцисс и характеризующие «особую точку» этой зависимости, были рассмотрены как исходные данные для оценки значения отношения разрывов энергетических зон на гетерогранице AlGaAs-GaAs на основе используемой теоретической модели. Получено значение параметра ДEc/ДEg ? 0.6 (ДEс - разрыв зоны проводимости, ДEп - разрыв запрещенной зоны) соответствует общепринятому его значению [1,2] и подтверждает правильность изложенных представлений.



Рис. 1. Зависимости энергетических параметров оптических переходов (экспериментальная - 1 и расчетная - 2) и интенсивности линии ФЛ узкой AlGaAs КЯ образца A от параметра неоднородности слоев (EW).

Рассмотрены аналогичные зависимости для интенсивности ФЛ КЯ GaAs-InGaAs, которые показали возможность анализа процессов перераспределения фотогенерированных носителей с исследуемой структуре при изменении ее параметров.

Оптимально с точки зрения применения СКМ построена слоевая структура образца В. Созданная латеральная неоднородность этого образца изменяет только толщину слоев GaAs, образующих систему двух изолированных КЯ AlGaAs-GaAs разной ширины. Эта система КЯ служила как самостоятельный объект исследования, а также являлась вспомогательной структурой при исследовании другой системы КЯ - двух туннельно-связанных квантовых ям (ТСКЯ) GaAs-InGaAs разной ширины, которая, также была создана на образце В. Экспериментальная картина ФЛ КЯ этого образца, полученная для малых (единицы монослоев) значений ширины узкой КЯ, подтверждает и детализирует полученную выше картину ФЛ изолированных КЯ.



Рис. 2. Зависимости энергетических параметров оптических переходов (экспериментальная - 1 и расчетные - 2-4) и отношения интенсивностей линия ФЛ изолированных КЯ образца В от параметра неоднородности слоев (EW).

Рис. 3. Зависимость относительной интенсивности линий ФЛ узкой КЯ образца В от ее ширины

Аналогичная приведенной выше зависимость типа ЕN(ЕW), показанная на рис. 2, хорошо соответствует модели более резких, чем на образце А, гетерограниц, изменяющихся в пределах двух монослоев, при характерным латеральном размере ступенек, большим, чем размер экситона.

В этом случае фиксируемое ФЛ излучение связано, главным образом, с наиболее широкими областями КЯ [3]. При теоретическом анализе экспериментальных данных этот эффект учтен путем построения расчетных кривых 2-4 для технологически заданного отношения средних значений ширины узкой wN и широкой wW КЯ с учетом разного локального уширения узкой КЯ относительно wN : 2 - уширение на 2m (m-размер монослоя), 3 - уширение на m, 4 - нет уширения. При этом широкая КЯ считалась уширенной на 2m (точки на этих кривых соответствуют изменению ширины узкой КЯ на 1 монослой).

При изменении wN до значений меньших 3m экспериментальные точки отклоняются от кривой 4 в сторону кривой 3 и далее к кривой 2. Такие особенности мы связываем с коррелирующим влиянием нижней гетерограницы на начальной стадии роста слоя GaAs узкой КЯ, которое при увеличении толщины GaAs (wN > 3m,) становится менее существенным, что проявляется в появлении в узкой КЯ областей, уширенных на 2m.

Вид зависимости б(ЕW) (кривая 5, рис. 2) (б = IN/IW - отношение интенсивностей ФЛ узкой и широкой КЯ), демонстрирует экспоненциальный спад в области wN < 3m. В рамках изложенных представлений ширине КЯ wN = 3m соответствует присутствие в ней одного монослоя, не нарушенного смещениями положения гетерограниц. При дальнейшем сужении КЯ этот слой нарушается, затрудняя латеральное движение носителей в КЯ. Это и ведет, по-видимому, к быстрому снижению интенсивности ФЛ, поскольку все большая часть электронно-дырочных пар остаются пространственно разделенными в плоскости КЯ.

Как видно из рис. 3, зависимость б(wN) обнаруживает осциллирующий характер. Анализ структуры квантовых подзон узкой КЯ показывает, что максимумам этой зависимости соответствует либо появление новой дырочной подзоны в КЯ, либо смещение верхней дырочной подзоны относительно энергии барьерного слоя на энергию оптического фонона в глубину КЯ. Обнаруженные особенности указывают на существенную роль носителей, релаксировавших в барьерных слоях в процессах захвата их в КЯ и на влияние структуры верхних подзон КЯ на процессы захвата носителей.

Исследование изолированных КЯ образцов А и В показало возможность результативного применения СКМ, и, в частности, возможность построения новых методов оценки физических параметров исследуемой структуры на основе получаемых квазинепрерывных зависимостей. Проведенный анализ позволил прецизионно, в масштабе единиц монослоев и с учетом рельефа гетерограниц определить локальные значения ширины КЯ, образца В для дальнейшего использования этих данных при анализе системы ТСКЯ.

3. Влияние ширины туннельного барьера на ФЛ системы двух ТСКЯ GaAs-InGaAs-GaAs-InGaAs-GaAs образца В

фотолюминесценция полупроводниковый наноструктура туннельный

В этой системе латералная-неоднородность (скоррелированная с неоднородностью изолированных КЯ этого образца) присутствовала только в слое туннельного GaAs барьера. Локальные значения ширины туннельного барьера были определены по данным анализа изолированных КЯ.

В результате исследования ФЛ этой системы были получены зависимости квазинепрерывного характера энергетических положений и интенсивностей обеих составляющих наблюдаемого спектрального дублета, а также отношения этих интенсивностей от ширины туннельного барьера.

Соответствие экспериментальных и полученных в работе расчетных зависимостей для энергий оптических переходов рассматриваемой системы ТСКЯ позволило идентифицировать наблюдаемые «прямые» и «непрямые» в координатном пространстве оптические переходы и связать параметры ФЛ этой системы с внутренним постоянным поперечным электрическим полем 5·103 В/см. На основе анализа картины изменения интенсивности линий ФЛ сделан вывод о влиянии электрического поля на процесс заполнения КЯ фотовозбужденными носителями. Наличие поля приводит к несимметричной неравновесной заселенности квантовых подзон системы вследствие существенной роли дрейфа носителей в процессе заполнения ими КЯ. В рамках этих представлений удается качественно описать картину наблюдаемой ФЛ ТСКЯ во всем диапазоне изменения ширины туннельного барьера, включая особенности наблюдаемых зависимостей в области малых значений ширины барьера, характер которых позволяет связать их природу с рекомбинацией экситонных состояний в ТСКЯ.

4. Результаты исследования воздействия внешнего электрического поля на спектры фотолюминесценции (ФЛ) одиночных квантовых ям (КЯ) в нелегированной системе GaAs-InGaAs (КЯ1 шириной 10 нм) и в модуляционно-легированной системе AlGaAs-GaAs (КЯ2 шириной 20 нм)

Внешнее смещение подавалось на полупрозрачный металлизированный электрод, через который осуществлялось возбуждение и регистрация ФЛ. Эти эксперименты, помимо самостоятельного значения, позволили сопоставить полученные в предыдущих разделах выводы о влиянии электрического поля на картину ФЛ КЯ, с результатами исследования ФЛ КЯ в условиях прямого полевого воздействия.

В обоих рассмотренных случаях при относительно низких значениях результирующего поля в области КЯ наблюдалось сильное и немонотонное изменение интенсивности ФЛ от внешнего электрического смещения.

Рис. 4. Зависимости параметров ФЛ, связанной с нижней электронной подзоной КЯ2, от внешнего смещения

На рис. 4 представлены зависимости от приложенного напряжения положения основного пика ФЛ E (1), соответствующего переходам из нижней подзоны электронов, и значения максимальной интенсивности (2) для КЯ2. Резкое изменение E(U) при U ~ 1 эВ соответствует обеднению КЯ электронами, сопровождающемуся сильным увеличением интенсивности ФЛ. При |U| >1.5 В прослеживается резонансный вид зависимости I(U), хорошо описываемый распределением Лоренца (кривая 3).

Проведенный теоретический анализ на основе численного самосогласованного решения уравнений Шредингера и Пуассона показал, что величина напряженности электрического поля в области КЯ, при напряжении, соответствующем максимуму I(U) составляет ~ 3·103 В/см, и наблюдаемое изменение интенсивности ФЛ невозможно объяснить изменением интегралов перекрытия волновых функций при таких величинах поля. Показано, что немонотонное поведение I(U) в обоих образцах обусловлено влиянием электрического поля на процесс захвата фотогенерированных носителей в КЯ. Рассмотрены возможные механизмы такого влияния. В результате этого исследования установлено, что поперечное электрическое поле относительно низкой напряженности (~ 103 В/см) может сильно влиять на ФЛ квантовых ям в связи с полевой зависимостью процессов захвата носителей в КЯ. Этот вывод подтверждает результаты, полученные в предыдущих разделах в рамках СКМ.

5. Задача изучения физических механизмов, определяющих особый характер спектров ФЛ, проявляющихся в структурах с д-легированными слоями n-типа

Эта задача решена с применением СКМ.

Квантово-размерные подзоны в д-слоях n-типа, как правило, слабо проявляются в спектрах ФЛ в связи с вытеснением фотогенерированных дырок из области д-слоя внутренним электрическим полем [4,5]. Многочисленные попытки увеличить интенсивность ФЛ таких структур путем введения различного рода потенциальных барьеров, ограничивающих миграцию дырок, не привели, однако, к существенному изменению этой ситуации [4-8].



Рис. 5. Спектры ФЛ образца с д-слоями n-типа ( y = 0.1, расстояние между д-слоями 17 нм (1), 22 нм (2, 4), 30 нм (3)), кривые аппроксимации компонентов спектра (5-8)

В настоящей работе предложена и исследована латерально-неоднородная структура, содержащая два, находящиеся близко друг к другу (L ~100 Е-300 Е) Si д-легированных слоя, созданных в объеме GaAs, разделенные узкой (h ~10 Е-30 Е) квантовой ямой (КЯ) InGaAs. В такой системе фотогенерированные дырки собираются, преимущественно, в КЯ, образуя двумерный дырочный слой. Исследована зависимость ФЛ такой структуры от расстояния между д-слоями и содержания In (y) в КЯ. Эти два параметра изменялись одновременно в пределах двухпараметрической латеральной неоднородности экспериментального образца. Вспомогательная структура из двух изолированных GaAs-InGaAs КЯ (линии G и H на рис. 5) дала возможность при исследовании одного образца получить серии квазинепрерывных экспериментальных зависимостей параметров ФЛ исследуемой структуры от каждого из изменяемых параметров при фиксированном значении другого параметра.

Предложенная структура позволила наблюдать многокомпонентные интенсивные спектры ФЛ в области 1.47 эВ - 1.54 эВ (линии A, B, C, D, E, F на рис. 5) связанные с квантово-размерными подзонами в д-слоях, с экспоненциальным увеличением интенсивности линий всех компонентов спектра при увеличении значений L и y. Относительно высокую интенсивность ФЛ мы связываем с двумерным характером движения фотогенерированных дырок в плоскости КЯ, а наблюдаемое уменьшение интенсивности - с его нарушением в результате влияния процессов латеральной локализации дырок на неоднородностях флуктуационного примесного потенциала. Полученные результаты позволяют полагать, что двумерный характер движения дырок является определяющим фактором процесса излучательной рекомбинации в области двумерного электронного газа. Сформулированное в работе положение о локализации дырок в минимумах потенциального рельефа флуктуационного потенциала вблизи д - слоев позволяет объяснить с единой точки зрения многие результаты исследования ФЛ в д - слоях других авторов, демонстрирующие существенное различие спектров ФЛ n-i-p-i и n-i-n-i структур, а также одиночных д - слоев.

В исследуемой структуре зарегистрирован очень незначительный сдвиг (менее 5 мэВ) энергетического спектра ФЛ при изменении расстояния между д - слоями. Такая «энергетическая стабилизация» спектра ФЛ связывается с локализацией дырок в потенциальной яме между д - слоями, что приводит к накоплению в ней заряда, достаточного для формирования сглаженного поперечного распределения потенциала в области между д-слоями, «стабилизирующего» энергетический спектр дырок. Зафиксированы, также, еще ряд экспериментальных особенностей, такие, как тенденции к насыщению роста интенсивности ФЛ при увеличении L, прекращение роста интенсивности ФЛ высокоэнергетических компонентов спектра на фоне роста низкоэнергетических компонентов. Эти и другие особенности объяснены в рамках изложенных выше представлений.

Заключение посвящено обобщающему анализу полученного в настоящей работе опыта применения спектрально-корреляционного метода исследования. Сформулированы ряд существенных особенностей метода, которые во многих случаях могут быть основой его эффективного применения: возможность исследования широкого круга физических процессов и структур и разнообразие методологических решений для их исследования, возможность прецизионного изменения параметров в процессе исследования при низких технологических затратах, статистическая представительность данных, получаемых при применении метода. Эти и другие особенности метода позволяют сделать вывод о возможности развития на его основе нового направления исследования физических свойств наноструктур. Рассмотрены некоторые аспекты развития этого направления, суть которых стало возможным сформулировать в результате выполненной работы.

Сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

В конце представлен список работ, вошедших в диссертацию.

Заключение

1. Предложен, разработан и продемонстрирован путем применения в ряде задач новый спектрально-корреляционный метод исследования физических процессов в наноструктурах, позволяющий осуществлять в процессе спектроскопического исследования специально создаваемых планарно-неоднородных структур контролируемое прецизионное изменение технологически сформированных параметров, таких, как толщины, компонентный состав квантово-размерных слоев.

2. Разработанный метод характеризуется значительным разнообразием методологических вариантов применения и обеспечивает возможность в процессе исследования каждого экспериментального образца (полупроводниковой пластины) получать статистически представительную совокупность экспериментальных данных, отражающих связь исследуемых параметров с прецизионно изменяемыми параметрами структуры, которые могут быть представлены в виде серии (серий) экспериментальных зависимостей квазинепрерывного характера.

3. На основе применения разработанного метода проведен комплекс исследований наноструктур различных классов (изолированных квантовых ям, туннельно-связанных квантовых ям, структур с электронными д-слоями) для которых экспериментально получены зависимости параметров фотолюминесценции от параметров их полупроводниковой структуры (толщин и компонентного состава наноразмерных слоев). Эти зависимости получены впервые, характеризуются прецизионным изменением варьируемых параметров и имеют квазинепрерывный характер.

4. Впервые обнаружен ряд экспериментальных особенностей, которые объяснены влиянием физических процессов различной природы на параметры ФЛ: влиянием рельефа гетерограниц на параметры экситонных оптических переходов в квантовых ямах, определяющим влиянием латерального движения носителей внутри КЯ на процесс излучательной рекомбинации в КЯ, влиянием структуры верхних (близким к энергии барьерных слоев) квантовых подзон КЯ на процесс захвата фотовозбужденых носителей в КЯ, особенностями процесса релаксации фотогенерированных носителей и влиянием электрического поля на неравновесную заселенность квантовых подзон системы туннельно-связанных КЯ и на энергию непрямых оптических переходов в этой системе, влиянием латеральной локализации дырок на процесс излучательной рекомбинации в системе электронных д-слоев.

Наблюдаемые экспериментальные проявления этих процессов определяют возможность разработки новых методов оценки физических параметров полупроводниковых структур, таких, как параметры рельефа гетегограниц, отношение разрывов энергетических зон на гетерогранице, величина внутреннего электрического поля полупроводниковой структуры, характеристики примесного флуктуационного потенциала. Продемонстрированы некоторые примеры таких оценок.

5. Предложена и исследована при помощи СКМ полупроводниковая структура, включающая два близко расположенные д-слоя n-типа в слое GaAs и внедренную симметрично между ними узкую InGaAs квантовую яму. При исследовании этой структуры впервые удалось наблюдать интенсивные многокомпонентные спектры ФЛ, связанные с системой 2D электронных подзон в д-легированных слоях n-типа благодаря формирующемуся в КЯ двумерному дырочному слою, обеспечивающему условия прямых (в квазиимпульсном пространстве) оптических переходов.

На примере этой структуры впервые продемонстрирована возможность регистрации экспериментальных зависимостей при исследовании квантово-размерной структуры в условиях двухпараметрической латеральной неоднородности ее слоев. При исследовании одного образца в условиях прецизионного изменения расстояния между д-слоями и содержания In в КЯ получены серии экспериментальных зависимостей параметров ФЛ от параметров, изменяемых в пределах неоднородности, дающие подробную картину изучаемого процесса.

В исследованной структуре обнаружен эффект экспоненциального увеличения интенсивности составляющих спектра ФЛ системы д-слоев при увеличении каждого из изменяемых в данном эксперименте параметров. Относительно высокая интенсивность наблюдаемой ФЛ объяснена двумерным характером движения фотогенерированных дырок в плоскости КЯ, а наблюдаемое уменьшение интенсивности - с нарушением «двумерности» дырок в результате влияния процессов их латеральной локализации на неоднородностях флуктуационного примесного потенциала.

На полученных зависимостях обнаружены ряд экспериментальных особенностей: эффект энергетической стабилизации спектра ФЛ, тенденция к насыщению роста интенсивности ФЛ, эффект насыщения экспоненциального роста интенсивности ФЛ высокоэнергетических компонентов на фоне быстро увеличивающейся интенсивности более низкоэнергетических компонентов.

На основе анализа полученных экспериментальных данных сформулировано положение о локализации дырок в минимумах потенциального рельефа, определяемого примесным флуктуационным потенциалом вблизи д - слоев, которое позволяет объяснить с единой точки зрения все отмеченные особенности наблюдаемой экспериментальной картины, а также многочисленные результаты исследования ФЛ в д-слоях, представленные в литературе и демонстрирующие существенное различие спектров ФЛ n-i-p-i и n-i-n-i структур, а также одиночных д - слоев.

6. Проведено систематизированное исследование влияния слабого внутреннего поперечного электрического поля на процессы ФЛ в КЯ. В результате экспериментов с применением спектрально-корреляционного метода исследования, а также экспериментов по прямому воздействию поперечного электрического поля на структуры с квантовыми ямами установлено, что поперечное электрическое поле относительно низкой напряженности (~ 103 В/см) может сильно влиять на интенсивность ФЛ наноструктур в связи с полевой зависимостью процессов релаксации фотогенерированных носителей.

Впервые получена подробная картина изменения параметров фотолюминесценции модуляционно легированная квантовой ямы в электрическом поле, содержащая ряд особенностей, характеризующих как процессы полевого обеднения двумерного электронного газа, так и процессы релаксации фотогенерированных носителей в КЯ.

7. Предложен новый принцип построения азотных криогенных систем для исследования полупроводниковых пластин, основанный на охлаждении и защите поверхности исследуемого образца динамической атмосферой испаряющегося азота, на его основе создан оптический криостат, ориентированный на проведение исследований спектрально-корреляционным методом.

8. Проанализированы методологические, технологические, аппаратурные аспекты реализации спектрально-корреляционного метода исследования наноструктур и результаты его применения в конкретных задачах. Проведенный анализ показывает, что разработанный метод является эффективным средством исследования физических процессов в наноструктурах, позволяет существенно дополнить возможности существующих способов их исследования и может служить основой для нового направления при исследовании физических свойств наноструктур. Рассмотрены возможные аспекты развития этого направления.

Литература

1. Хабаров Ю.В., Спектрально-корреляционный способ исследования слоевых полупроводниковых структур // Патент РФ на изобретение № 2168238, (2001).

2. Хабаров Ю.В., Исследования физических явлений в полупроводниковых наноструктурах с использованием планарно-неоднородных слоев. 1. Фотолюминесценция. // ФТП, 2003, т. 37, вып. 3, с. 339-345.

3. Хабаров Ю.В., Капаев В.В., Петров В.А., Исследования физических явлений в полупроводниковых наноструктурах с использованием планарно-неоднородных слоев. Фотолюминесценция туннельно-связанных квантовых ям. // ФТП, 2004, т. 38, вып. 4, с. 455-464.

4. Хабаров Ю.В., Капаев В.В., Петров В.А., Галиев Г.Б., Исследования физических явлений в полупроводниковых наноструктурах с использованием планарно-неоднородных слоев. Фотолюминесценция структур с электронными д-легированными слоями. // ФТП, 2006, т. 40, вып. 5, с. 572-583.

5. Хабаров Ю.В., Новый метод исследования полупроводниковых наноструктур с использованием фотолюминесцентной спектроскопии планарно-неоднородных полупроводниковых слоев // Труды Международной конференции “Оптика, оптоэлектроника и технологии”. Ульяновск, 2002. c. 66.

6. Khabarov Yu.V., Velikovsky L.E., Photoluminescence spectroscopy of quantum well GaAs/InGaAs/GaAs in electrical field // Abstracts of International Conference «Micro- and nanoelectronics - 2003», Moscow-Zvenigorod, Russia, 2003, P2-84.

7. Хабаров Ю.В., Фотолюминесцентная спектроскопия модуляционно легированной квантовой ямы AlGaAs/GaAs/AlGaAs в электрическом поле // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции "Микро- и наноэлектроника-2001", Звенигород, 2001, Р2-30

8. Khabarov Yu., Kapaev V., Petrov V., Galiev G., Photoluminescence of 2D Electron д-layers in Laterally Nonuniform Nanostructures based on GaAs // Abstracts of International Conference «Micro- and nanoelectronics - 2005», Moscow Zvenigorod, Russia, 2005, P2-84.

9. Хабаров Ю.В., Капаев В.В., Петров В.А., Галиев Г.Б. Фотолюминесценция 2D электронных д-слоев в латерально-неоднородных наноструктурах на основе GaAs // Тезисы докладов VII Российской конференции по физике полупроводников "Полупроводники 2005", Москва, Звенигород, 2005, с. 199.

10. Khabarov Yu., Kapaev V., Petrov V., Galiev G., Photoluminescence of 2D electronic д-layers in lateral non-homogeneous nano-structures based on GaAs // Proceeding of SPIE. Micro- and Nanotechnologies 2005, V. 6260, р. 626018-1 - 626018-9, 2006.

11. Хабаров Ю.В., Галиев Г.Б., Сарайкин В.В., Слепнев Ю.В., Исследование возможности образования самоорганизующихся наноструктур в неоднородных слоях InxGa1-xAs с низким содержанием In // Труды Международной конференции “Оптика, оптоэлектроника и технологии”. Ульяновск, 2002. c. 8.

12 . Кульбачинский В.Ф., Лунин Р.А., Рогозин В.А., Мокеров В.Г., Федоров Ю.В., Хабаров Ю.В., Нарюми Е., Киндо К., А. де Виссер, Латеральный электронный транспорт в короткопериодных сверхрешетках InAs/GaAs на пороге образования квантовых точек // ФТП, 2003, Т. 37, Вып. 1, c. 70-76.

13. Гук А.В., Великовский Л.Е., Каминский В.Э., Мокеров В.Г., Федоров Ю.В., Хабаров Ю.В. Влияние электрического поля на спектры фотолюминесценции двумерного электронного газа высокой плотности в гетероструктурах N-AlGaAs/GaAs/AlGaAs // ДАН, 2000, т. 374, №1, с. 31-34.

14. Мокеров В.Г., Федоров Ю.В., Гук А.В., Хабаров Ю.В. Фотолюминесцентная спектроскопия квазидвумерного электронного газа в д-легированных слоях GaAs (100) //ДАН, 1998, т.36, N1, с.40-44.

15. Евстегнеев С.В., Имамов Р.М, Ломов А.А., Садофьев Ю.Г., Хабаров, Ю.В., Шипицин Д.С. Исследование InGaAs/GaAs квантовых ям, выращенных методом молекулярно -лучевой эпитаксии // Тезисы докладов Российской конференции «Полупроводники-99», Новосибирск, 1999.

16. Евстегнеев С.В., Имамов Р.М., Ломов А.А., Садофьев Ю.Г., Хабаров Ю.В., Чуев М.А., Шипицин Д.С. Исследование квантовых ям InGaAs/GaAs методами низкотемпературной фотолюминесценции и рентгеновской дифракции // ФТП, 2000, т. 34, вып. 6, с.719-725.

17. Галиев Г.Б., Гук А.В., Мокеров В.Г., Слепнёв Ю.В., Фёдоров Ю.В., Хабаров Ю.В., Ярёменко Н.Г. Фотолюминесценция однородно- и -легированных кремнием слоёв GaAs, выращенных методом МЛЭ на подложках с ориентацией (100), (111)А, (111)В // III Всероссийская конференция по физике полупроводников “Полупроводники 97”. Тезисы докладов. Москва, 1997. С. 306.

18. Галиев Г.Б., Мокеров В.Г., Ляпин Э.Р., Сарайкин В.В., Хабаров Ю.В. Исследование электрофизических и оптических свойств -легированных кремнием слоёв GaAs, выращенных методом МЛЭ на разориентированных в направлении [2] поверхностях (111)А GaAs // ФТП. 2001. т. 35. Вып. 4. с. 421-426.

19. Галиев Г.Б., Мокеров В.Г., Хабаров Ю.В. Влияние угла разориентации на спектры фотолюминесценции -легированных кремнием слоёв арсенида галлия (111)А, выращенных методом МЛЭ // ДАН. 2001. Т. 376. № 6. С. 749-752.

20 Ломов А.А., Имамов Р.М., Гук, А.В., Федоров Ю.В, Хабаров Ю.В., Мокеров В.Г. Влияние параметров структуры отдельных слоев на фотолюминесцентные свойства системы InxGa1-xAs-GaAs// Микроэлектроника, 2000, т. 29, № 6, с. 410-416.

21 Ломов А.А., Сутырин А.Г., Прохоров Д.Ю., Галиев Г.Б. Хабаров Ю.В., Чуев М.А., Имамов Р.М. Структурная характеристика межслойных границ в системе AlxGa1-xAs/GaAs/AlxGa1-xAs методами высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии и рефлектометрии// Кристаллография, 2005, т. 50, №4, с. 587-594.

22. Хабаров Ю.В., Смирнов В.И., Чернов А.Н., Термостолик для проведения низкотемпературных зондовых измерений // Авторское свидетельство на изобретение № 1641146, 1990.

23. M.A. Herman, D. Bimberg, J. Christen. Heterointerfaces in quantum wells and epitaxial growth processes: Evaluation by luminescence techniques. //J. Appl. Phys., 70 (2), R1-R52, (1991).

24. G. Bastard, C. Delalande, Y. Guldner, P. Voison. Advances in Electronics and Electron Physics, ed. By Peter W. Hawkes (Boston-San Diego-New York-Berkeley-London-Sydney-Tokyo-Toronto, Academic Press, 1988) v.72.

25. Er-Xuan Ping, Vikram Dalal. Exciton photoluminescence of quantum wells affected by thermal migration and inherent intrrface fluctuation// J. Appl. Phys., 1993, V. 74, No. 9, 5349-5353.

26. J.C.M. Henning, Y.A.R.R. Kessener, P.M. Koenraad, M.R. Leys, W. Van Vleuten, J.H. Woller, A.M. Frens. Photoluminescence study of Si delta-doped GaAs// Semicond. Sci.Technol., 1991, v.6, p. 1079-1087.

27. J.Wagner, A. Fischer end K. Ploog. Photoluminescence from the quasi-two-dimensional electron gas at a single silicon д-oped layer in GaAs// Phys. Rev. B, 1990-1, v. 42, No. 11, p. 7280-7283.

28. А.М. Васильев, П.С. Копьев, М.Ю Надточий, В.М. Устинов. Переходы с участием размерно-квантованных подзон в спектре фотолюминесценции д-легированного GaAs// ФТП, 1998, т. 23, вып. 12, с. 2133-2137.

29. J.Wagner, A.Fischer, K.Ploog. Fermy edge singularity and screening effects in the absorption and luminescence spectrum of Si д-doped GaAs // Appl. Phys. Lett., 1991, v. 59, No. 4, p. 482-430.

...