СОДЕРЖАНИЕ
Введение.
1 Модуляционное отражение света от полупроводниковых
гетероструктур.
1.1. Отражение света от границы гетероструктуры.
1.2. Диэлектрическая проницаемость арсенида галлия обусловленная
межзонными переходами.
1.3. Модуляция коэффициента отражения света.
1.4. Механизмы модуляции диэлектрической проницаемости
полупроводника вблизи фундаментального края поглощения света.
1.4.1. Эффект Франца - Келдыша.
1.4.1.1. Волновые функции электрона и дырки в однородном электрическом поле.
1.4.2. Экранирование экситоиов свободными электронами.
1.5. Оптическая модуляционная спектроскопия полупроводников.
1.6. Общие принципы измерений модуляционного отражения света.
1.7. Методы измерений модуляционного отражения света.
1.7.1. Фотоотражение.
1.7.2. Фотоограженне с пространственным отклонением возбуждающего светового луча.
1.7.3. Электроотражение.
1.7.4. Термоотражение.
1.7.5. Пьезоотражение.
1.7.6. Разностное модуляционное отражение.
1.7.7. Бесконтактное электроотражение.
1.8. Способы разделения вкладов в спектр модуляционного отражения
света от разных слоев полупроводниковой структуры.
1.8.1. Дифференциальное фотоотражение.
1.8.2. Фототерм и чес кая диагностика полупроводниковых структур.
1.8.3. Фазоразрешенное фотоотражение.
1.8.4. Фурье - анализ спектров модуляционного отражения света.
2. Радиочастотное модуляционное отражение света от полупроводников.
2.1. Влияние радиочастотного поля на оптические характеристики
полупроводника.
2.2. Измерительная установка для экспериментального обнаружения
радиочастотного модуляционного отражения света.
2.3. Особенности радиочастотного модуляционного отражения света.
3. Модуляционное отражение света при двух конфигурациях
радиочастотного поля.
3.1. Измерительная .установка для экспериментального обнаружения
зависимости радиочастотного модуляционного отражения света от конфигурации радиочастотною поля.
3.2. Исследуемая гетероструктура.
3.3. Спектры радиочастотного модуляционного отражения света от
гетероструктуры при двух конфигурациях радиочастотного поля.
3.4. Модель воздействия радиочастотного электрического поля на
носители заряда в гетероструктуре.
3.4.1. Статическое электрическое поле встречно-штыревого конденсатора.
3.4.2. Влияние статического электрического поля встречно-штыревого конденсатора на распределение свободных зарядов в образце.
3.4.3. Кинетика распределения свободных зарядов в образце под влиянием электрического поля встречно-штыревого
конденсатора.
3.4.4. Разогрев электронов проводимости под действием
радиочастотного электрического поля.
55
56
57
58
60
61
63
64
66
73
75
78
79
81
85
86
-3-
91
93
96
3.4.5. Разогрев решетки электронами проводимости. 87
3.5. Заключение. 89
4. Модуляиионное отражение света в локализованном радиочастотном
поле.
4.1. Измерительная установка для исследования пространственных
зависимостей модуляционного отражения света в локализованном радиочастотном поле.
4.2. Спектры модуляционного отражения света от гетероструктуры в
локализованном радиочастотном поле.
4.3. Модель распределения носителей заряда в гетероструктуре при
локальном воздействии радиочастотного электрического поля. 98
5. Локальные измерения фотолюминесценции.
5.1. Модель распределения локально фото индуцированных
неравновесных носителей заряда в плоскости гстероструктуры. '98
6. Отражение света от гстероструктуры, модулированное светом накачки с
энергией квантов меньше ширины запрещенной зоны. 113
6.1. Локальные измерения отражения зондирующего света при
локальном воздействии света накачки с энергий квантов меньше ширины запрещенной зоны полупроводника. 1 ***
Заключение. 116
Перспективы развития метода радиочастотного модуляционного отражения света.
Приложение: Влияние поляризации зондирующего света на спектры
модуляционного отражения.
.. 1->*>
Благодарности. 1 —
Список литературы.
119
120
-4-
Введение.
Успехи физики полупроводников во многом определяются развитием методов оптической спектроскопии, которые позволяют изучать зонную структуру полупроводников, состав полупроводниковых слоен, энергии размерного квантования в низкоразмерных структурах, кинетику рекомбинационных процессов и многое другое. Модуляционные методы спектроскопии, которые исследуют малые изменения ІІ оптических спектрах иод действием внешнего возмущения, являются наиболее точными. Среди методов оптической модуляционной спектроскопии особое место занимает фотоотражение света, которое является уникальным инструментом бесконтактного измерения внутренних электрических нолей в простых полупроводниковых структурах. Метод фотоотражения основан на модуляции встроенного в полупроводнике электрического ноля модулированным по интенсивности излучением с энергией квантов /н; превышающих ширину запрещенной зоны Е3. Величина внутреннего электрического поля определяется из спектра модуляционного отражения в энергетическом диапазоне зондирующего света й<у вблизи Е
Большинство планарных гстсроструктур для современных полупроводниковых приборов состоят из разнообразных слоев, толщина каждого из которых может достигать нескольких нанометров. Сложные спектры фотоотражения от таких структу р формируются всеми слоями, расположенными на глубине поглощения света в полупроводнике (- 1 мкм). Интерпретация таких спектров не всегда однозначна. Разработка оптических спектральных методов с субмикронным пространственным разрешением, позволяющих экспериментально выделять слои полупроводниковых структур в настоящее время является актуальной научной задачей.
Для исследований структур с микро и наноразмерами в плоскости образца активно применяются методы. использующие сканирование поверхности полупроводника (туннельная и силовая микроскопии, микроскопия ближнего оптического поля). При исследовании полупроводниковых структур методами оптической модуляционной спектроскопии, возникает новая физическая задача локализации электромагнитного воздействия и пространственного сканирования отклика на такое воздействие.
Для демонстрации предлагаемых в диссертации методов выбрана гстсроетрукт>ра
ОаАя'Л! хСа і .ХД5. которая используется для создания как быстродействующих транзисторов, так и современных полупроводниковых источников света. Электронные и оптические свойства такой гетероструктуры хорошо изучены традиционными метолами фотоотражения и фотолюминесценции.
Цель диссертационной работы.
I Разработать экспериментальный метод исследования, позволяющий из сложного спектра модуляционного отражения гетероструктуры выделять спектральные особенности отдельных полупроводниковых слоев, отличающихся электрическими и оптическими свойствами.
2. Исследовать пространственное и энергетическое распределение свободных носителей заряда при локальном воздействии на гетероструктуру электромагнитным излучением радиочастотного, инфракрасного и видимого диапазонов.
Научная новизна работы.
1 Обнаружена сильная зависимость оптических спектров модуляционного отражения гетероструктуры СаЛя/АГСаАя от конфигурации воздействующего радиочастотного поля.
2. Перенос радиочастотного возбуждения в плоскости гетероструктуры обнаружен оптическими спектральными методами на расстоянии, превышающем область локализации радиочастотного электрического поля более чем на два порядка.
3. Обнаружено влияние квантов излучения накачки с энергией Л ^существенно меньше £й на коэффициент отражения зондирующего света с энергией квантов, (но - £... причем дефицит энергии -&Е = hv- Е( на порядок больше энергии оптических фононов, (гО^ « Л£.
4. Перенос возбуждения, вызванного инфракрасным воздействием на гстероструктуру. обнаружен на расстоянии, превышающем область локализации инфракрасного излучения более чем на порядок.
5. Перенос неравновесных фотовозбужденных носителей заряда в плоскости гетероструктуры обнаружен на расстоянии, превышающем длину диффузии свободных носителей в однородном арсснидс галлия более чем на дна порядка.
Нау чные наложения, выносимые на чащщу.
I. Использование радиочастотного поля двух конфигураций позволяет выделять в спектрах модуляционного отражения гетероструктур слои с толщиной < 100 нм.
-6-
2. При микроскопической локализации радиочастотного и фото возбуждений, высокая электропроводность двумерного электронного газа вдоль слоев гетероструктуры приводит к макроскопическим величинам переносов этих возбуждений.
Практическая пснность результатов.
Прелложены и разработаны три новых бесконтактных метода модуляционного отражения света от полупроводниковой структуры.
1. Радиочастотное модуляционное отражение света при двух конфигурациях радиочастотного поля.
2. Модуляционное отражение света при локальном возлействии на полупроводниковую структуру радиочастотным полем.
3. Отражение света с энергией к&антов Лй> вблизи Е модулирозаиное излучением накачки с энергией квантов Иу существенно меньше Е
1. Модуляционное отражение света от полупроводниковых гетероструктур.
Количественные и качественные изменения в полупроводниковой электронике связаны с разнообразием электрических свойств полупроводников и полупроводниковых структур. Важным практическим свойством полупроводников является значительная чувствительность электронных характеристик к относительно малым внешним воздействиям (тепловым, электрическим, магнитным полям, механическим напряжениям и др.). Это определило развитие ряда таких отраслей, как радиоэлектроника. автоматика. вычислительная и измерительная техника, микроэлектроника, наноэлсктроника.
Особую роль в физике полупроводников играют оптические свойства полупроводниковых оруктур. Они позволяют создавать электронные системы со световым управлением (фотоэлементы, фотобатареи, приборы интегральной электроники и т.д.) и светоизлучающие системы (светодиоды, полупроводниковые лазеры, квантовые усилители, дисплейные матрицы). На стыке электроники и оптики родилось направление - оптоэлектроника.
Значительный прорыв в физике полупроводников был совершен благодаря оптической спектроскопии. Именно благодаря оптической спектроскопии была впервые экспериментально измерена зависимость энерт ни электрона в кристалле от его импульса (зонная структура). Исследования полупроводниковых кристаллов начались с начата XX века. Однако лишь после построения зонной структуры твердых тел (энергетического спектра электрона в кристалле) удалось понять физические принципы.
-7-
определяющие свойства полупроводников. Особый интерес к оптической спектроскопии вызвало открытие вынужденного излучения в полупроводниках, создание полупроводниковых инжекиионных лазеров на р - п переходах и гетеропереходах.
В настоящее время применение оптических методов в области физики полупроводников имеет широкое распространение благодаря внедрению в спектроскопию методов модуляиии параметров исследуемого объекта (модуляционной спектроскопии). Методы модуляционного отражения света позволяют бесконтактным образом определять энергетические особенности электрон - дырочного взаимодействия, величины встроенных электрических полей, градиент электронной температу ры И лр. Методы модуляционной спектроскопии могут применяться для диагностики структур на ранних стадиях производства полупроводниковых приборов [12|.
Модуляционное отражение является единственным прямым способом измерения встроенного электрического поля в полупроводнике, в отличие ог косвенных электрических измерений. Модуляционное отражение позволяет измерять электрические поля в квантовых ямах (16). С помощью модуляционного отражения измеряются электрические поля в областях эмиттера и коллектора готовых транзисторов
[291-
Увеличение за последние десять лет числа работ в области полупроводниковых низкоразмерных стру ктур (гетероструюур с двумерным электронным газом, квантовых нитей, квантовых точек) значительно усилило актуальность поиска новых методов оптической спектроскопии. Спектр электронных состояний в таких структурах очень сложен, а фотолюминесценция, комбинационное рассеяние света и модуляционное отражение света являются наиболее точными методами, позволяющими измерять энергетическу ю плотность электронных СОСТОЯНИЙ.
1.1 Отражение света от границы гетерострукту ры.
Коэффициент отражения плоской электромагнитной волны (Рис. 1.1.1) нормально подающей на граничу воздух - однородный изотропный полупроводник лается формулой Френеля:
*-р=!Г.
|л + 1|
где к • комплексный показатель преломления полупроводника (показатель преломления воздуха - 1) Показатель преломления м связан с комплексной диэлектрической
-8-
Воздух
Полупроводник
Е,
А
кз і І
<-------1 Х=0 >
X
Рисунок 1.1.1: Отражение электромагнитной волны от границы двух сред. Е; и к}- напряженность и волновой вектор для падающей волны; Е: и к:- для прошедшей в полупроводник волны; Е) и кг дія отраженной волны.
Л<у, эВ
Рисунок 1.1.2: Диэлектрическая проницаемость арсенида галлия в области частот оптических фононов. £:■ действительная часть, гч- мнимая часть диэлектрической проницаемости.
-9-
проницаемостью полупроводника £ соотношениями
й=л+// = л/г,
£ = £, 4- fc, ,
2>гх = є:,
где е{ и £: - соответственно действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости, а л и х - действительный коэффициент преломления и коэффициент экстпнкции. Плоская монохроматическая электромагнитная волна распространяющаяся в однородном изотропном полупроводнике в направлении Л'представляется в виде (рис.
а связь волнового вектора к 2 и угловой частоты ю определяется законом дисперсии Л.(<у) в рассматриваемой среде
X характеризует затухание волны по мере проникновения ее в образец. Наряду с коэффициентом экстпнкции х вводится коэффициент поглощения
Легко видеть, что величина обратная коэффициенту поглощения есть расстояние, на котором интенсивность электромагнитной волны уменьшается в с раз.
£\ и є2 не являются независимыми величинами. Поляризованность p(f) электрических зарядов вещества на воздействие электромагнитного поля Е(0 возникает во времени только после того, как приложено электрическое поле.
Эта причинная связь проявляется в виде известных соотношений Крамерса- Кронига между действительной и мнимой частями диэлектрической проницаемости, которые имеют вид [80]
с с
j?(r)= где диэлектрическая восприимчивость ./(/) = 0 при і < 0.
(1.1.2)
-10-
1 (•£,(«)-! . ,
А --------------(1(0\
к \ (О - (О
гле интеграл берегся в смысле главного значения по Коши.
Как видно из уравнений (1.1.1) и (1.1.2), дисперсия среды возникает благодаря наличию процессов поглощения. В отсутствии поглощения у= 0, г'2 = 0. е| = 1. В отличие от г; 2. может быть отлично от нуля в области частот далекой от области поглощения.
Диэлектрическую проницаемость полупроводника можно представить в виде
> I
£(су)-иЭстИ-1—-------------------——Ч— +РМ* (1-1.3)
£0т ео(ео' + » 5)
где £и=* 8.85x10'12 Ф.'м- электрическая постоянная, п, г и /«-концентрация, время рассеяния импульса и эффективная масса свободных носителей заряда. Второе слагаемое р„ - диэлектрическая восприимчивость соответствующая межзонному поглощению. При этом, любую рожденну ю квантом электрон - дырочную пару следует рассматривать, как экскгон 119]. Будем различать связанные и несвязанные экситонные состояния. 11ри создании связанного экситона. электрон - дырочная пара перемешается в кристалле как единое целое, не внося вклад в проводимость. (Часто рассматривают связанные экситоны в смысле связанности экситона на примеси. Мы не рассматриваем этот случай.) При создании несвязанного экситона. электрон и дырка могут удаляться друг от друга как угодно далеко, хотя и испытывают кулоновскос взаимодействие. Такое несвязанное состояние тоже есть экситон. который вносит дополнительный вклад в проводимость (фотопроводимость). Если в полупроводнике есть свободные носители заряда, то следует учитывать третье слагаемое в (1.1.3). соответствующее поглощению электромагнитной волны свободными носителями заряда. Последнее слагаемое ответственно за решеточное поглощение: электромагнитная волна непосредственно возбуждает колебания решетки. Такое поглощение испытывают волны, частоты которых близки к характерной частоте оптических фононов <о,. В арссниде галлия
— =8x10'"Гц ((ко, -ЗэмэВ). Диэлектрическая проницаемость арсенида галлия в
«г
области частот оптических фононов приведена на рис. 1.1.2 и в области межзонных переходов на рис. 1.1.3 [77].
Характерные особенности диэлектрической проницаемости Цол. обусловленные
- II -
- Київ+380960830922