WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 1997, том 39, № 4 Особенности контуров экситонного отражения света кристаллов GaAs © А.С. Батырев, В.В. Джамбинов, А.Е. Чередниченко Калмыцкий государственный университет, 358000 Элиста, Россия Научно-исследовательский институт физики при Санкт-Петербургском государственном университете, 198904 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 11 декабря 1996 г.) Исследованы контуры экситонного отражения света кристаллов GaAs, подвергнутых поверхностночувствительной электронной бомбардировке. Обнаружены особенности, которые на качественном уровне можно объяснить с использованием простейшей аппроксимации приповерхностного экситонного потенциала потенциальной ямой прямоугольной формы.

Исследование оптических экситонных спектров в пря- спайка) на частоте объемного продольного экситона мозонных полупроводниках дает важную информацию LV 12 224 cm-1 [9].

о взаимодействии экситона с поверхностью и припо- Электронная бомбардировка приводит к характерной перестройке КЭОС. По мере увеличения дозы верхностной областью кристалла [1–17]. Особенно информативными являются контуры экситонного отра- облучения наблюдается его ”вращение”: отражение в области основного максимума падает, а в области жения света (КЭОС), которые зависят от обработки поверхности [2,3,8,11,15,16], интенсивности [6,7] и гео- спайка и коротковолнового плеча возрастает, минимум КЭОС сдвигается в область меньших энергий. После метрии [13–15] возбужденных, состава приповерхностдозы 6 · 1017 el/cm2 форма КЭОС приобретает анного слоя [17], величины прикладываемого внешнего тидисперсионный вид (кривая 3). Обращает на себя электрического поля различной конфигурации (см., навнимание исключительно высокая чувствительность к пример, [6,9]). В ряде работ делались попытки оценить поверхностно-чувствительной бомбардировке спайка, а параметры приповерхностной области из КЭОС.

именно с ростом дозы спайк необычно возрастает по инЗависимость КЭОС от внешних поверхностно-чувсттенсивности, одновременно смещаясь в длинноволновую вительных воздействий и соответственно от состояния область (кривые 2, 3). Максимальная величина сдвига приповерхностной области образца обусловлена сущеспайка составляла 1.2 cm-1. Аномальное поведение ствованием вблизи поверхности специфического переспайка будет объяснено далее с помощью вставки к ходного экситонного слоя, характеристики которого морис. 1 [11,19].

гут изменяться под воздействием внешних факторов.

Важно отметить, что изменения КЭОС, вызванные Такой слой эффективно описывается приповерхностным облучением, полностью сохранялись и после нагрева экситонным потенциалом (см., например, [11]), тип и паобразца до комнатной температуры (в отличие, наприраметры которого определяются конкретными механизмер, от кристаллов группы A2B6 [11,19]). Это указывает мами возмущения экситонного состояния в приповерхна необратимый характер изменений свойств структур ностной области, вызванными, в частности, изменениями арсенида галлия при воздействии низкоэнергетическими концентрации дефектов, величины и распределения поля.

электронами.

В настоящей работе исследована трансформация Перейдем к обсуждению полученных результатов. Для КЭОС кристаллов GaAs под воздействием электронреальных поверхностей кристаллов A3B5 характерно ной бомбардировки низкоэнергетическими электронами закрепление (пиннинг) уровня Ферми поверхностными (3.5 keV). Эксперименты проводились с использовасостояниями, что приводит к фиксированному припонием специального криостата [18], позволявшего обверхностному изгибу зон. В случае кристаллов n-GaAs лучать образцы электронами в высоком вакууме при типичный изгиб электронных зон соответствует слою температуре T = 4.2 K и in situ регистрировать их обеднения и оценивается при разумных параметрах в оптические спектры в зависимости от дозы облучения.

0.8 eV(см., например, [9]).Исследовались монокристаллические пленки n-GaAs с В электрическом поле слоя пространственного заряда раличными значениями концентрации центров ND - NA на счет штарковского сдвига резонансной частоты эк( 1014-1015 cm-3), выращенные методом жидкофазной ситона возможно образование потенциальной ямы для эпитаксии.

экситонов [11,19]. В ряде работ (см., например, [11,19]) На рис. 1 приведены КЭОС одного из исследованных указывается на возможность образования вблизи пообразцов: исходного (кривая 1) и после разных доз верхности потенциальной ямы с жесткой стенкой, т. е.

облучения (кривые 2, 3). Как видно из этого рисунка, В оптических исследованиях проявляются значительно меньшие КЭОС в исходном состоянии имеет сложный вид и по величине изгибы зон, что связано с их частичным световым спряхарактеризуется наличием структуры в области максимлением даже при относительно малых интенсивностях зондирующего мума отражения, а также узкого пичка (так называемого света (см., например, [2,9]).

Особенности контуров экситонного отражения света кристаллов GaAs Как видно из рисунка, простейшая модель потенциальной ямы в виде прямоугольника качественно передает ход коэффициента отражения и воспроизводит характерную особенность экспериментальных КЭОС — спайк, однако в расчетных спектрах его величина больше.

Согласно [11,19], яркая спайковая структура характерна для потенциальной ямы с резкими краями, что хорошо объясняется в рамках представлений поляритонной теории (см. вставку к рис. 1).

Понижение резонансной частоты экситона у поверхности (0S < 0V ) приводит к тому, что частоты поляритонов верхней ветви поверхностного слоя ( > LS) попадают в ”запрещенную” область частот продольно-поперечного расщепления объемного поляритона (0V, LV ), и вследствие этого такие поляритоны испытывают сильное отражение от объема кристалла (эффект ”металлического” отражения от объема поляритонов поверхностного слоя).

Мы полагаем, что именно этот эффект, теоретически предсказанный в [11,19], является причиной наблюдаемого в эксперименте резкого возгорания и смещения спайка в сторону меньших энергий под воздействием электронной бомбардировки (рис. 1). Действительно, обРис. 1. КЭОС кристалла GaAs при 4.2 K. 1 — экспериментальлучение кристаллов электронами с энергией в несколько ный спектр GaAs c ”естественной” поверхностью, 2, 3 —после облучения электронами 3.5 keV по мере увеличения дозы облу- килоэлектрон-вольт приводит помимо прочего к образочения (el · cm-2): 2 —5·1016, 3 —6·1017. На вставке — схема, ванию допороговых дефектов на глубине проникновения поясняющая аномально большую интенсивность спайка при электронов (несколько сотен ангстрем) (см., например, наличии потенциальной ямы с ”жесткими” стенками [11,19].

[11,19,23]). Это подтверждается также необратимостью КЭОС GaAs после нагрева до комнатной температуры, так как известно [23] (см. также [24]), что в этих кристаллах структурные нарушения типа точечных дефектов прямоугольной ямы. В недавней работе Новикова и стабильны и для своего отжига требуют значительно др. [20] изучены спектры отражения и электроотражения более высоких температур, чем комнатная.

в барьерах Шоттки на CdS. Соответствующие расчеты эффекта Штарка находят согласие с экспериментом в простейшей модели ступенчатой зависимости величины N = ND - NA с существенно меньшим значением этой величины в приповерхностном слое по сравнению с остальным объемом кристалла (в этом слое происходит основное падение прикладываемого напряжения).

Исходя из вышеизложенного, мы выполнили расчеты КЭОС для комплексного приповерхностного экситонного потенциала, представленного прямоугольными ямами для резонансной частоты 0 (0 — глубина ямы) и ступеньками для затухания экситона. С целью достижения лучшего согласия с экспериментом варьировались глубина и ширина ямы, а также значения. Расчет основывался на методе, предложенном Киселевым [21], с использованием многослойной аппроксимации неоднородности [11,19] (см. также работу Селькина [22], результаты которой были использованы для расчета КЭОС сульфида кадмия в поле барьера Шоттки [20]).

Рис. 2. КЭОС кристалла GaAs. 1 — экспериментальный В расчетах арсенида галлия использовались парамеспектр при T = 4.2 K, 2 — расчетный для потенциальной тры экситона, приведенные в [9]. На рис. 2 показаны ямы, изображенной на вставке. На вставке — модель потенциэкспериментальный (кривая 1) и расчетный (кривая 2) альной ямы, соответствующая расчетному КЭОС (кривая 2);

КЭОС образца GaAs; на вставке к этому рисунку показан 0 — сдвиг резонансной частоты экситона, — затухание соответствующий расчетному КЭОС потенциал. экситона.

2 Физика твердого тела, 1997, том 39, № 612 А.С. Батырев, В.В. Джамбинов, А.Е. Чередниченко Структурные дефекты в GaAs являются электрически [13] F. Perez-Rodriguez, P. Halevi. Phys. Rev. B45, 20, (1993).

активными, с уровнями энергии как в верхней, так [14] F. Perez-Rodriguez, P. Halevi. Phys. Rev. B53, 15, и в нижней половине запрещенной зоны [24,25]. В (1996).

зависимости от положения этих уровней относительно [15] А.С. Батырев, Н.В. Карасенко, А.В. Селькин. ФТТ 35, 11, уровня Ферми дефекты могут находиться в различных 3099 (1993).

зарядовых состояниях. Отсюда следует, что в кристаллах [16] А.С. Батырев, Б.В. Новиков, А.В. Селькин. Письма в GaAs под действием электронного облучения наряду ЖЭТФ 61, 10 (1995).

с дефектным изменяется также зарядовое состояние [17] А.С. Батырев, Н.В. Карасенко, А.В. Селькин, Л.Н. Тенищев.

приповерхностной области.

Письма в ЖЭТФ 62, 5, 397 (1995).

Таким образом, в настоящей работе впервые обна[18] Б.В. Новиков, Г.В. Бенеманская, А.Е. Чередниченко.

ружен проявляющийся в КЭОС эффект зеркального ПТЭ 2, 216 (1976); B.V. Novikov, G.V. Benemanskaya, отражения от объема поляритонов приповерхностного A.E. Cherednichenko. Cryogenics. November (1976).

[19] A.E. Cherednichenko, V.A. Kiselev. Prog. Surf. Sci. 36, 3, слоя, который, согласно предсказаниям [11,19], должен (1991).

проявляться в случае приповерхностных потенциальных [20] А.Б. Новиков, Б.В. Новиков, Г. Роппишер, А.В. Селькин, ям для экситонов с резкими границами (так называемые Н. Штейн, Р.Б. Юферов. Письма в ЖЭТФ 64, 1, 38 (1996).

”твердые” или ”жесткие” стенки — hard walls).

[21] В.А. Киселев. ФТТ 20, 7, 2173 (1978).

Что касается более общего случая потенциальных ям, [22] А.В. Селькин. Вестн. СПбГУ 4, 2 (11), 77 (1996).

то здесь для лучшего согласия между экспериментом [23] В.С. Вавилов, Н.П. Кекелидзе, Л.С. Смирнов. Действие и подгоночными расчетными КЭОС следует учитывать излучений на полупроводники. Наука, М. (1988). 191 с.

так называемый мертвый, т. е. безэкситонный, слой [1,10], [24] С. Маделунг. Физика полупроводниковых соединений 3 и а также реальное распределение электрического поля и 5 групп. Мир, М. (1967). 477 с.

примесно-дефектных центров вблизи поверхности.

[25] В.С. Вавилов, А.Е. Кив, О.З. Ниязова. Механизмы образоТакой учет произведен, например, в вышеупомянутой вания и миграции дефектов в полупроводниках. Наука, М.

(1981). 368 с.

работе Новикова и др. [20] для расчета КЭОС CdS в поле барьера Шоттки; для расчета КЭОС GaAs Лягуа [10] использовал ступенчатый приповерхностный потенциал, что при учете мертвого слоя позволило ему получить удовлетворительное согласие между экспериментальными и расчетными спектрами для ряда соединений.

Авторы считают своим долгом почтить память безвременно ушедшего из жизни старшего научного сотрудника ФТИ им. А.Ф. Иоффе Вадима Алексеевича Киселева — коллеги, соавтора, чьи идеи легли в основу целого ряда работ, в том числе и настоящей.

Список литературы [1] J.J. Hopfield, D.G. Thomas. Phys. Rev. 132, 2, 563 (1963).

[2] D.D. Sell, S.E. Stokowski, R. Dingle, J.V. DiLorenzo. Phys.

Rev. B7, 10, 4568 (1973).

[3] F. Evangelisti, A. Frova, F. Patella. Phys. Rev. B10, 10, (1974).

[4] S. Sakoda. J. Phys. Soc. Jap. 40, 1, 152 (1976).

[5] I. Balslev. Phys. Stat. Sol. (b) 88, 1, 155 (1978).

[6] J. Lagois, E. Wagner, W. Bludau, K. Losch. Phys. Rev. B18, 8, 4325 (1978).

[7] J.U. Fischbach, W. Ruhle, D. Bimberg, E. Bauser. Solid State Commun. 18, 9/10, 1755 (1976).

[8] L. Schultheis, I. Balslev. Phys. Rev. B28, 4, 2292 (1983).

[9] L. Schultheis, J. Lagois. Phys. Rev. B29, 12, 6784 (1984).

[10] J. Lagois. Phys. Rev. B23, 10, 5511 (1981).

[11] В.А. Киселев, Б.В. Новиков, А.Е. Чередниченко. Экситонная спектроскопия приповерхностной области полупроводников. Изд-во ЛГУ, Л. (1987). 162 с.

[12] А.С. Батырев, В.В. Джамбинов, Т.Т. Лаврищев, И.Т. Лаврищева, Б.С. Лиджиев. Тез. докл. 12-го Всесоюз. конф.

по физике полупроводников. Киев (Октябрь 1990). Ч. 2.

С. 288–289.

Физика твердого тела, 1997, том 39, №




© 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.