Спектры фотоотражения поверхностей и границ раздела n-GaAs

•Исследования спектрального ФО поверхностей и границ раздела полупроводников вызвали в последнее время значительный интерес. ФО как модуляционно-спектроскопический метод используется для исследования различных полупроводниковых материалов и систем — элементарных полупроводников и полупроводниковых соединений, гомои гетероструктур, квантовых структур, — чтобы получить информацию об энергии критических точек зонной структуры, эффективной массе носителей заряда, индуцированных внешним воздействием изменениях зонной структуры, характере электронно-оптических переходов, а также о присутствии дефектов решетки как объемной характеристике качества кристалла.

Спектроскопия ФО как бесконтактный оптический метод особо может быть эффективно использована для исследования поверхностей и границ разделов полупроводников. ФО представляет собой оптически модулированное электроотражение, в основе которого лежит оптически индуцированная модуляция электрических полей поверхности или границы раздела полупроводника. Количественный анализ спектров ФО (ЭО) позволяет определить напряженность электрического поля поверхности/границы раздела и ее зависимость от структурно-химического состояния поверхности, а также обнаружить влияние на напряженность реакций, протекающих в ее области. Эта возможность базируется на непосредственной связи между поведением электрического поля и электронными свойствами поверхности/границы раздела полупроводникового материала. Таким образом, изменения приграничного электрического поля могут в определенных случаях быть приписаны изменениям электронной плотности состояний поверхности/границы раздела. Использование спектроскопии ФО в качестве метода исследования поверхностей и границ раздела делает только первые шаги. Хотя первые теоретические и экспериментальные работы по ФО были опубликованы еще в середине 60-х гг., и с тех пор количество ежегодно публикуемых работ по ФО непрерывно растет, интерпретация информации, содержащейся в спектрах, до сих пор представляет собой значительную проблему. В последнее время была развита обобщенная математическая модель для описания спектров ФО /9,10,11,36/. Однако расчеты в рамках этой модели требуют точного знания значений таких параметров полупроводника, как ширина запрещенной зоны, оптические постоянные, энергия уширения, напряженность электрического поля, глубина проникновения электрического поля и вид зависимости напряженности электрического поля от глубины, а также параметров, описывающих внешнюю модуляцию. Также было обнаружено, что подгонки экспериментальных спектров в рамках этой модели необнозначны. Эти факты создают условия для проведения анализа экспериментальных спектров в рамках сильно. упрощенных моделей. Однако при этом встает вопрос, насколько соответствуют параметры образцов, определенные из таких моделей, настоящим параметрам. Задачей данной работы является исследование возможного использования спектроскопии ФО для изучения электронных поверхностных и граничнораздельных состояний п-ваЛв путем оценки напряженности электрического поля. Такая постановка задачи предполагает в первую очередь количественный анализ спектров ФО с целью оценки значения напряженности электрического поля, репрезентативного для состояния границы раздела.

Рассмотрение, проводимое в рамках электромодуляционного механизма на основе эффекта Франца-Келдыша, начнется с дискуссии о физических причинах, ведущих к возникновению спектров ФО. Этой проблематике посвящены первые главы. При этом будут рассмотрены и использованы для моделирования спектров ФО п-ОаАв различные теоретические модели. Критерием рассмотрения выступает учет в моделях таких важнейших параметров спектров и образцов, как: энергия перехода, энергия уширения, максимальное значение напряженности электрического поля и ее зависимость от глубины, оптические постоянные (п, к), уровень модуляции поля. Модельные расчеты должны выявить зависимость формы спектральной линии от этих параметров. В итоге должна быть предложена теоретико-математическая модель для описания спектров ФО, позволяющая одновременно учитывать влияние энергии уширения, неоднородности электрического поля и частичной модуляции.

Частью теоретической постановки вопроса является исследование пригодности различных приближенных моделей для достаточно реалистичного расчета спектров ФО п-ОаАв. Выводы о пригодности приближенных моделей будут сделаны путем сравнительной оценки получаемых параметров. В противоположность к работе /59/ влияние неоднородности электрического поля будет исследовано также для высоких концентраций носителей заряда п>1016.1017см" 3. При этом будет показано, что во всех моделях напряженность электрического поля является хорошо воспроизводимым параметром.

Во второй части работы возможности приближенного и точного моделирования спектров ФО, изученные на примере теоретических рассмотрений, используются для исследования и количественной интерпретации экспериментальных спектров ФО. Экспериментальные спектры ФО, анализируемые в работе, были при комнатной температуре измерены на подложках п-ОаАв, отожженных в парах 8е (8е+Аз, 8е+Те), и гомоэпитаксиальных структурах (п-ОаАв/п^ОаАз).

Фотоотражательные исследования образцов Бе/СгаАв использовались для изучения воздействия пассивации селеном на электронные свойства поверхности ОаАв. В работе будет показано, что значения напряженностей электрического поля, определенные при помощи фотоотражательного спектрального анализа, отражают поведение границы раздела и позволяют таким образом сделать выводы об изменении плотности •электронных состояний границы раздела.

Исследование гомоэпитаксиальных пленок должно было подтвердить влияние качества кристаллической структуры на форму линии спектра ФО.

Анализ экспериментальных спектров ФО в рамках различных моделей представляет собой очень широкую задачу. Среди прочего в работе будет предпринята попытка объяснить отклонения формы линии экспериментальных спектров от теоретических спектральных форм путем наложения электромодуляционной Е0-компоненты с.

б.

Заключение

.

Задачей представленной работы являлось систематическое исследование спектров ФО в области Е0-перехода п-ваЛвпри этом в постановку задачи включались количественнй анализ экспериментальных спектров ФО на основе математического моделирования и разработка методов оценки параметров полупроводниковых материалов. Метод ФО как оптико-спектроскопический метод благодаря его бесконтактному, неразрушающему характеру может быть эффективно использован для исследования поверхностей или границ раздела полупроводников. Путем проведения измерений ФО может быть определена напряженность поверхностного/гранично-раздельного электрического поля. Исходя из полученных значений напряженности поля можно получить информацию об электронных состояниях поверхности/границы раздела. В работе подробно рассматриваются возможности определения напряженности электрического поля из Е0-спектров ФО п-ОаАв. В второй главе были представлены различные теоретико-математические модели, описывающие Е0-спектры ФО, и была предпринят их анализ.

Влияние электрического поля на полупроводниковый кристалл в общем случае может быть описано при помощи внутризонного и межзонного терма (части) потенциала взаимодействия. В зависимости от отношения межзонного члена, внутризонного члена, феноменологической энергии уширения и энергии перехода друг к другу могут быть выделены три случая ФО — высокополевой, среднеполевой и низкополевой случаи, -причем интересные для анализа среднеполевой и низкополевой случаи, для которых не происходит изменение зонной структуры полупроводника, имеют место для ОаАв вплоть до концентрации носителей заряда п< 1019см" 3.

В низкополевом случае форма спектра ФО может быть проинтерпретирована как третья производная немодулированного спектра отражения. Однако информация, содержащаяся в низкополевом спектре, довольно ограничена из-за доминирующего влияния энергии уширения на форму спектраиз количественного анализа низкополевого спектра могут быть получены только значения энергии перехода и энергии уширения.

В наиболее интересном, богатом информацией среднеполевом случае спектральная линия содержит осцилляции Франца-Келдыша. В идеальном случае (критическая точка типа Мо, однородное электрическое поле в приповерхностной области, энергия уширения Г=0мэВ) спектральная форма содержит острый пик при энергии перехода и слабо затухающие осцилляции в энергетической области выше энергии перехода, причем период осцилляций Франца-Келдыша непосредственно зависит от напряженности поверхностного электрического поля (без модулирующего освещения). Возможными причинами отклонения спектральной формы от вышеназванной идеальной линии являются: 1) уширение спектров ФО- 2) неоднородное электрическое поле в приповерхностной области- 3) частичная модуляция поверхностного электрического поля.

Различные математические модели, описывающие среднеполевые структуры ФО, отличаются друг от друга по числу и комбинации параметров, входящих в модель. При этом различные комбинации параметров могут привести даже к качественным изменениям формы линии спектра ФО. «Корректные» расчеты спектров ФО должны быть проведены при одновременном включении всех параметров, могущих оказать влияние на форму линии спектра. Такая модель вводится в работе как расширенная многослоевая модель с частичной модуляцией.

Если при эксперименте а) экситонные эффекты подавлены, б) энергия уширения не зависит от энергии фотонов и с) в спектре регистрируется достаточное число осцилляций Франца-Келдыша, то при количественном анализе среднеполевого спектра ФО в рамках расширенной многослоебой модели могут быть получены значения таких параметров, как напряженности поверхностного/гранично-раздельного электрического поля Fs, глубины проникновения электрического поля dF, энергии электронно-оптического перехода Eg, энергиии уширения Г и степени модуляции поверхностного поля Однако, так как при эксперименте эти условия, как правило, не выполнены, из-за чего подгонка экспериментального спектра в рамках расширенной МСМ может быть неоднозначной, напрашивается вопрос, какие упрощенные модели или приближения (например, приближение однородного электрического поля) могут быть использованы для относительно надежного количественного анализа (особенно определения напряженности электрического поля).

Чтобы проверить пригодность различных приближенных методов оценки параметров экспериментальных спектров, в главе 3 были проведены «корректные» модельные расчеты спектров ФО для 2-х значений концентраций носителей заряда 5×1015см" 3 и 3×1017см" 3 с различными значениями параметров Г' и и для промоделированных спектральных линий были применены различные приближенные методы оценки с целью получения и сравнения полученных таким образом значений параметров со входными параметрами. Во всех рассмотренных среднеполевых моделях напряженность электрического поля оказывается хорошо репродуцируемым параметром. Из проведенного анализа также было установлено, что приближение постоянного поля (уширенная G-функция с постоянным значениём Г>0 и уровнем модуляции электрического поля ?=1) может быть с успехом использовано для определения энергии перехода. Однако значения параметров Г и не могут быть достаточно точно определены в рамках этого приближения.

Моделирование спектров в низкополевом приближении позволяет достаточно точно определить значения Eg и Г только в том случае, если влияние неоднородности электрического поля не очень сильно, а энергетическое положение пиков не искажено за счет экситонных эффектов.

Результаты, полученные в главе 3, были использованы при количественном анализе и изучении структуры экспериментальных спектров ФО. Для изучения влияние качества кристаллической структуры на спектральную форму было необходимо проведение исследований ФО гомоэпитаксиальных образцов ОаАв.

Проведенный количественый анализ спектров ФО как образцов, пассивированных Бе, так и систем МВЕ-п/п+, показал, что в структуре экспериментальных Е0-спектров ФО со среднеполевыми Е0-компонентами принципиально могут быть выделены 3 различных области:

1. Энергетическая область вблизи энергии перехода: эта область простирается от низкоэнергетического хвоста среднеполевой компоненты до первой (отрицательной) осцилляции Франца-Келдыша. В этой области часто наблюдаются наложения среднеполевой структуры с низкоэнергетическими компонентами (экситонные компоненты).

2. Область оспилляпий Франца-Келдыша, простирающаяся примерно до 2-го или 3-го экстремума: спектральная структура, как правило, имеет в этой области «регулярное» затухание, и спектральная линия может быть хорошо промоделирована как в расширенной МСМ, так и при помощи уширенной О-функции.

3. Область высокоэнергетических осиилляций Франца-Келдыша: осцилляции экспериментальных спектров ФО затухают в этой области очень быстро, так что 4-ый экстремум уже очень мал, а пятый практически никогда не наблюдается. Наблюдаемое расхождение между экспериментальной и модельной линиями может быть устранено путем введения энергетической зависимости параметра уширения Г (Е).

Одним из результатов представленной работы была выработка методики количественного анализа экспериментальных спектров ФО, которая позволяет сделать заключение о поведении электрического поля п-СаАв. При помощи проведенных экспериментальных исследований ФО была показана важность значения напряженности электрического поля для характеризации электрического состояния поверхности/границы раздела. При этом могли быть установлены изменения напряженности электрического поля при воздействии на химическо-структурное состояние поверхности/границы раздела с точностью до 1×104В/м. Главным объектом проведенных измерений ФО были пассивированные 8е поверхности ОаАв. Система БеАЗаАз считается в настоящий момент одной из наиболее перспективных систем для применения в твердотельной электронике. Исследования ФО дают непосредственный доступ к определению электронных свойств области границы раздела. Результаты, полученные из ФО-исследований пассивированных 8е образцов, подтверждают модельные представления об уменьшении плотности заряженных поверхностных состояний границы раздела после отжига свободной поверхности ОаАв в парах Бе. Было также показано, что абсолютное значение величины уменьшения напряженности электрического поля сильно зависит от свойств подложки. Путем анализа спектров ФО может быть получена информация только о состояниях ловушек поверхности/границы раздела, т. е. о занятости состояний. Рекомбинационные состояния границы раздела не воздействуют на спектр ФО. Для получения дополнительной информации о состояниях границы раздела, а также для исследования стабильности ее электронных свойств были проведены измерения интегральной фотолюминесценции. Измерения ИФД предпринятые на пассивированных Бе образцах ОаАБ, показывают, что состояние границы раздела не является стабильным. Кроме этого было установлено, что:

1. для образцов п-ОаАв наблюдаются два типа зависимости сигнала ИФЛ. Тип 1 характеризуется спадом сигнала ИФЛ (так называемое «деградационное поведение»). Тип 2 отличается от типа 1 в его начальной фазе, б которой начальный рост сигнала после прохода через максимум переходит в спад в соответветствии с типом 1 (так называемое «градационно/деградационное поведение»).

2. Для окисленных поверхностей или свежих поверхностей скола наблюдается только ИФЛ-зависимость 1-го типа. Напротив, для пассивированных Бе образцов регистрируются оба типа зависимостей. При больших плотностях лазерного возбуждения для пассивированных поверхностей наблюдается только спад сигнала люминесценциипри уменьшении плотности лазерного возбуждения наблюдается постепенный переход в зависимость 2-го типа.

3. Наблюдаемые ИФЛ-зависимости могут быть хорошо описаны одной спадающей экспоненциальной функцией (тип 1) или суперпозицией одной спадающей и одной растущей экспоненциальной функции (тип 2). Это указывает на какие-то фотостимулированные процессы в приповерхностной области, вызванные лазерным облучением и протекающие по экспоненциальным законам.

ИФЛ-исследования подтверждают стабилизацию электронных свойств пассивированных Бе поверхностей ОаАв по сравнению со свежими поверхностями скола. Впервые проведенные на системе БеЛла Аз комбинированные фотоотражательные/ фотолюминесцентные исследования показали, что в спадающей части ИФЛ-зависимости не обнаруживается какое-либо изменение значения напряженности электрического поля. Таким образом, наблюдаемое уменьшение напряженности электрического поля связано с растущей частью ИФЛ-зависимости.

Проведенные исследования показывают, что ФО является надежным методом исследования поверхностей/границ раздела полупроводников. С помощью ФО может быть получена информация о скрытых в глубине границах раздела. Дополнение ФО-измерений исследованиями ИФЛ приводит к расширению области исследования на состояния поверхности/границы раздела, участвующие в рекомбинациипри этом комбинация ФО/ИФЛ помогает различить между состояниями ловушек и состояниями, принимающими участие в рекомбинации.