WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 3 Идентификация электронно-оптических переходов в области примесных состояний в E0-спектрах фотоотражения GaAs © Р.В. Кузьменко¶, Э.П. Домашевская Воронежский государственный университет, 394693 Воронеж, Россия (Получена 8 мая 2001 г. Принята к печати 12 июля 2001 г.) В спектрах фотоотражения, измеряемых на кристаллических подложках GaAs со средним уровнем легирования в области фундаментального перехода E0 при комнатной температуре, идентифицированы спектральные компоненты, возникающие в области электронно-оптических переходов с участием примесных состояний. Для идентификации были использованы фазовый анализ экспериментальных спектров и проведение серии измерений спектров при различной плотности лазерного возбуждения. Экспериментально определены зависимости величины примесной компоненты и фазы запаздывания от плотности лазерного возбуждения. Путем анализа экспериментальных данных установлено, что на возникновение компоненты сильное влияние оказывает состояние поверхности образца.

Спектроскопия фотоотражения (ФО) является ши- сравнимых по величине с модуляционной компонентой роко используемым неразрушающим модуляционно- для перехода валентная зона - зона проводимости, оптическим методом исследования электронных, опти- возможно даже для относительно низких плотностей ческих и структурных свойств полупроводниковых кри- примесных состояний (начиная от 1015 см-3). Однако сталлов, их поверхностей и границ раздела. Однако в этом случае возникает вопрос, почему сообщения о чрезвычайно высокая чувствительность спектров ФО к наблюдении примесных структур в спектрах ФО так редусловиям проведения эксперимента или характеристи- ки в литературе. Например, после первого наблюдения кам образца часто приводит к двусмысленным резуль- примесных структур в спектрах электроотражения GaAs татам при интерпретации спектров. В частности, не- Серафином в 1966 г. [12] первый подробный анализ смотря на относительно частое наблюдение спектраль- примесных спектральных компонент был предпринят только в 1985 г. [6].

ных структур в энергетической области ниже энергии фундаментального перехода, до сих пор не вырабо- Мы предполагаем, что примесные компоненты относительно часто присутствуют в электромодуляционных тан единый взгляд на причины их возникновения. Так, и фотомодуляционных спектрах прямозонных полупропервоначально предполагалось, что за возникновение водников, однако в случае сильного спектрального песпектральных структур в низкоэнергетической области рекрытия с широкой E0-компонентой ФО, обусловленмогут быть ответственны либо вызванное эффектом ной собственными состояниями, они либо визуально Франца–Келдыша уширение зон, либо модуляционные не наблюдаются, либо ошибочно интерпретируются как процессы в области экситонных переходов [1,2]. Однако экситонные компоненты. В работе предлагаются методы проведенный в опубликованных за последние 15 лет идентификации примесной компоненты в случае сильноработах [3–11] анализ спектров электроотражения и го спектрального перекрытия. Также будет показано, что фотоотражения показал, что в некоторых случаях форма возникновение примесной компоненты не может быть спектральных структур в низкоэнергетической области описано только в рамках электромодуляционного механе может быть воспроизведена расчетом в рамках выше низма, и на ее присутствие в спектре сильное влияние названных моделей, а их энергетическое положение ваоказывает состояние поверхности образца.

рьируется от области экситонных переходов до областей Все измерения спектров ФО R/R = f (E) проводина 30-70(!) мэВ ниже E0. Поскольку обнаруженные лись при комнатной температуре на установке, устройспектральные структуры по величине были сравнимы ство и способ функционирования которой описаны в [13].

с электромодуляционной компонентой, их объяснение Для модуляции использовался красный He-Ne-лазер при помощи модуляционных процессов в области при(длина волны = 632.8нм) или синий He-Cd-лазер месных переходов казалось несколько противоречивым (длина волны = 442.5нм). Используемые значения (для невырожденных полупроводников плотность состоплотности лазерного возбуждения (ПЛВ) лежали в диаяний в зонах по крайней мере на несколько порядков пазоне L = 0.5-4Вт/см2. Измерения проводились на выше плотности примесных состояний). Тем не менее пассивированных Ga2Se3 и легированных кремнием подтеоретические расчеты показали, что в случае модуложках n-GaAs (100) (E0 = 1.424 эВ) с концентрацией ляции одной из характеристик примесных переходов носителей заряда n 1016 см-3. Толщина пассивирую(энергии перехода, уровня занятости или энергии уширещего слоя составляла 10 нм. Для проведения фазового ния) наблюдение примесных модуляционных компонент, аналаза (ФА) спектров [14] использовался двухканаль¶ E-mail: roman@ftt.vsu.ru ный фазочувствительный усилитель (ФЧУ) SR850.

Идентификация электронно-оптических переходов в области примесных состояний... В качестве следующего шага для идентификации природы низкоэнергетической компоненты была предпринята серия экспериментов с изменением ПЛВ. Поскольку фаза низкоэнергетической компоненты отличается от фазы среднеполевой электромодуляционной компоненты, очевидно, что эти компоненты возникают либо в разных областях образца, либо в результате различных модуляционных процессов. В том и другом случае можно ожидать различной зависимости величины компонент от ПЛВ.

X-компоненты спектра, измеренные с различными значениями ПЛВ в пределах L = 2.8-0.53 Вт/см2, представлены на рис. 3. Поскольку снижение ПЛВ приводило к спаду величин обеих спектральных комРис. 1. Составляющие X (сплошная линия) и Y (штриховая линия) экспериментального E0-спектра фотоотражения пасси- понент, была проведена нормировка по высоте втовированной Ga2Se3 подложки n-GaAs (n = 5 · 1015 см-3).

рой осцилляции Франца–Келдыша. Из рисунка видно, что уменьшение ПЛВ ведет к быстрому спаду вклада низкоэнергетической компоненты в результирующий спектр. Однако проведение измерений с предустановкой На рис. 1 представлены X- иY -составляющие E0-спектфазы ФЧУ показывает, что форма спектральной линии ра ФО пассивированной Ga2Se3 подложки n-GaAs низкоэнергетической компоненты остается неизменной.

(n = 5 · 1015 см-3), измеренные без предустановки фазы ФЧУ с голубым He-Cd-лазером при частоте модуляции f = 2500 Гц. Осцилляции Франца–Келдыша в высокоэнергетической области показывают, что спектр содержит электромодуляционную E0-компоненту, обсловленную переходом валентная зона - зона проводимости и измеряемую в среднеполевом режиме. В области низкоэнергетического плеча главного пика этой компоненты наблюдается перекрытие с низкоэнергетической компонентой. Построение фазовой диаграммы дает в качестве фазовой линии петлевую структуру [14], что указывает на присутствие в спектре двух компонент с различными значениями фаз запаздывания или характеристических временных постоянных, представляющих собой в пер вом приближении время запаздывания модуляционного сигнала по отношению к сигналу возбуждения.

Рис. 2. Выделенная при помощи предустановки фазы ФЧУ Поскольку фазы спектрально перекрывающихся комнизкоэнергетическая компонента.

понент различны, то в рамках ФА может быть проведено их разделение. С этой целью была определена фаза для электромодуляционной компоненты в области ее однокомпонентности. Затем была предпринята предустановка внутренней фазы ФЧУ с таким расчетом, чтобы подавить эту компоненту в канале X. Благодаря этому низкоэнергетическая компонента была измерена в неискаженном виде (рис. 2). Спектральная линия низкоэнергетической компоненты качественно совпадает с так называемыми ”спектральными формами первой производной”, известными из литературы [3,6,8,9,11] для примесных компонент. Однако, хотя выделенная низкоэнергетическая компонента и не имеет типичной для экситонных компонент низкополевой формы, из-за ее близкого положения к энергии перехода E0 одна только форма линии не может в данном случае рассматриваться в качестве удовлетворительного доказательства ее ”приРис. 3. X-компоненты спектра фотоотражения, измеренмесной” природы (пик лежит вблизи энергии экситонных ные при различных значениях плотности лазерного возбуждепереходов). ния L, Вт/см2: 1 —2.8, 2 — 1.74, 3 — 1.26, 4 — 0.89, 5 — 0.53.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 280 Р.В. Кузьменко, Э.П. Домашевская ная амплитуда экситонной структуры (по отношению к электромодуляционной компоненте) падает при увеличении ПЛВ. Таким образом, наблюдаемая низкоэнергетическая компонента должна быть приписана модуляционным процессам, протекающим в области примесных электронно-оптических переходов. Более быстрый рост величины примесной компоненты по отношению к электромодуляционной E0-компоненте был также обнаружен в [4].

Нами также была проведена оценка фаз () компонент для различных значений ПЛВ (см. рис. 5). При этом было установлено, что фаза E0-компоненты очень чувствительна к изменению ПЛВ, в то время как фаза примесной компоненты реагирует на изменение ПЛВ Рис. 4. Зависимости A(L) для низкоэнергетической (1) и элекдовольно слабо. Различие в поведении фаз компонент тромодуляционной (2) E0-компонент.

позволяет предположить, что за возникновение примесной компоненты ответствен процесс, напрямую (а не опосредованно, как для электромодуляционной компоненты) связанный с генерацией больших плотностей Для проведения количественного анализа зависимоснеравновесных носителей заряда. Слабая зависимость тей величин компонент от плотности лазерного возбужфазы примесной компоненты от величины ПЛВ хородения нами были введены амплитуды или амплитудные шо коррелирует с выдвинутым в [6,9] предположением факторы (A) для низкоэнергетической и электромодуо том, что за формирование примесного сигнала ФО ляционной E0-компонент. Поскольку форма спектральответственна перезарядка примесных центров.

ной линии низкоэнергетической компоненты оставалась К сожалению, из анализа невозможно было опренеизменной, для нее в качестве амплитудного фактора делить, какими именно примесными состояниями обмогла быть использована высота пика. Для среднепоусловлено появление примесной компоненты. Поскольлевой компоненты из-за зависимости формы спектральку исследовавшийся образец был легирован кремнием, ной линии от уровня модуляции поверхностного поля структура ФО, по-видимому, должна быть приписана введение понятия амплитудного фактора сталкивается с переходу с участием примесного уровня Si. Обнаруженсущественными затруднениями. Однако проведенные в ный в [7] в спектрах электроотражения GaAs примесный рамках обобщенной многослоевой модели расчеты [15] пик находился в этой же энергетической области и был показывают, что в области средних и низких значений приписан донорному уровню Si.

уровня модуляции электрического поля форма линии Проведение измерений на образце с красным модулиосцилляций Франца–Келдыша, их период и энергетирующим лазером в том же диапазоне значений ПЛВ даваческое положение остаются практически неизменными ло похожие спектры, однако низкоэнергетическая компои определяются только значением электрического поля нента была в них выражена слабее. Поскольку для краспри отсутствии освещения. Напротив, величина сигнала в этой области определяется только уровнем модуляции поверхностного электрического поля. Таким образом, является правомерным использование величины осцилляций Франца–Келдыша в качестве амплитудного фактора среднеполевого электромодуляционного сигнала.

Для оценок мы использовали величину второй положительной осцилляции Франца–Келдыша. Определенные зависимости A(L) для обеих компонент представлены на рис. 4. Из рисунка видно, что для обеих компонент обнаружена логарифмическая зависимость амплитуды от ПЛВ.

Обнаруженное поведение низкоэнергетической компоненты не может быть объяснено в рамках экситонной модели. Во-первых, изменение ПЛВ вызывает изменение уровня модуляции поверхностного электрического поля, Рис. 5. Зависимости фазовых углов низкоэнергетической (1) и что должно отразиться в изменении формы спектральной электромодуляционной (2) E0-компонет от плотности лазернолинии экситонной компоненты. Во-вторых, эксперименго возбуждения. Фазовые углы на рисунке взяты отрицательнытальные результаты исследований влияния ПЛВ на эк- ми, чтобы показать запаздывание компоненты по отношению к ситонную компоненту [16] показывают, что относитель- возбуждению.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Идентификация электронно-оптических переходов в области примесных состояний... ного лазера область генерации неосновных носителей [7] L. Kassel, J.W. Garland, P.M. Raccah, C. Coluzza, A. Neglia, A. DiCarlo. Appl. Surf. Sci., 56–58, 356 (1992).

заряда лежит глубже, мы предполагаем, что за возникно[8] S.L. Mioc, P.M. Raccah, J.W. Garland. Mater. Res. Soc. Symp.

вение примесной компоненты ответственны примесные Proc., 261, 45 (1992).

состояния, лежащие вблизи поверхности образца. Для [9] A.N. Pikhtin, V.M. Airaksinen, H. Lipsanen, T. Tuomi. J. Appl.

подтверждения этого предположения нами были проPhys., 65, 2556 (1989).

ведены измерения на различных участках поверхности [10] M. Sydor, J. Angelo, J.J. Wilson, W.C. Michtel, M.Y. Yen. Phys.

образца. При этом было обнаружено резкое изменение Rev. B, 40, 8473 (1989).

величины примесной компоненты. В довершение нами [11] R.L. Tober, J.D. Bruno. J. Appl. Phys., 68, 6388 (1990).

был удален пассивирующий слой. Анализ полученного [12] B.O. Seraphin. J. Appl. Phys., 37, 721 (1966).

спектра, имеющего форму линии, опубликованную в [16], [13] S. Hildebrandt, M. Murtagh, R. Kusmenko, W. Kircher, G.M. Crean, J. Schreiber. Phys. St. Sol. (a), 152, 147 (1995).

показал, что спектр больше не содержит примесной [14] А.В. Ганжа, В. Кирхер, Р.В. Кузьменко, Й. Шрайбер, компоненты, однако в низкоэнергетической области теС. Хильдебрандт. ФТП, 32, 272 (1998).

перь была обнаружена сильная экситонная компонента.

[15] Р. Кузьменко, А. Ганжа, Э.П. Домашевская, В. Кирхер, Хотя причины исчезновения примесной компоненты ФО Ш. Хильдебрандт. ФТП, 34, 1086 (2000).

не ясны, понятно, что ее исчезновение обусловлено [16] Р. Кузьменко, А. Ганжа, Й. Шрайбер, С. Хильдебрандт.

модификацией состояния поверхности образца. Это свиФТТ, 39, 2123 (1997).

детельствует о том, что примесные компоненты ФО — Редактор Л.В. Шаронова это либо чисто поверхностный феномен, либо их появление обусловлено состояниями, лежащими близко к Electronoptical transitions identified within поверхности образца. Корреляция между состоянием поверхности и наблюдением примесной компоненты была the range of impurity states также обнаружена в [5,8].

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.