авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Исследование электронных состояний в низкоразмерных структурах на основе gaas/gaasp

-- [ Страница 1 ] --

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ

РЕСПУБЛИКИ МОЛДОВА

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МОЛДОВЫ

На правах рукописи

УДК: 537.311+621.382

Коротков Александр Витальевич

Исследование электронных состояний в низкоразмерных структурах на основе GaAs/GaAsP

Специальность 01.04.10 физика полупроводников и диэлектриков

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Кишинев 2003

Работа выполнена на кафедре прикладной физики и информатики и в научно-исследовательской лаборатории физики полупроводников Государственного Университета Молдовы

Научные руководители:

Симашкевич А.В. Академик АН РМ, доктор хабилитат физ.-мат. наук,

профессор.

Горя О. С. Доктор физ.-мат. наук, ведущий науч. сотрудник.

Официальные оппоненты:

Канцер В.Г. Академик АН РМ, доктор хабилитат физ.-мат. наук,

профессор. (АН Республики Молдова)

Тигиняну И.М. Доктор хабилитат физ.-мат. наук, профессор.

(Технический Университет Молдовы)

Ведущая организация:

Институт Физики Полупроводников Национальной Академии наук Украины, Киев,

просп. Науки 45, Украина.

Защита состоится 21 марта 2003г. в 14.00 часов на заседании Специ­ализированного Совета DH-01.92.16 при Государственном Университете Республики Молдова по адресу: ул. А.Матеевича, 60, MD2009, Кишинев.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного Университета Республики Молдова.

Автореферат разослан “__”____________2003 г.

Ученый секретарь

Специализированного Совета,

Доктор хабилитат физико-математических наук Д. А. Шербан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Переход современной электроники на новый этап развития в значительной степени базируется на низкоразмерных структурах, таких как сверхрешетки (СР), квантовые ямы (QW), квантовые нити и квантовые точки, выращиваемых на основе полупроводниковых материалов и являющихся сегодня главным объектом исследований в физике полупроводников.

Сверхрешетками принято называть твердотельные структуры, в которых помимо периодического потенциала кристаллической решетки, на электроны действует допол­нительный одномерный периодический потенциал, но с периодом, значительно превыша­ющим постоянную решетки. Практический интерес к полупроводниковым сверхрешеткам возник в 1970 году в связи с развитием новых технологий выращивания тонких слоев. В работе Есаки и Тсу [1], опубликованной в 1970г., исследовались процессы электронного переноса в структурах с дополнительным периодическим потенциалом (с периодом порядка нескольких постоянных кристаллической решетки), создававшимся либо леги­рованием, либо изменением состава полупроводниковых материалов. В структурах такого типа происходит расщепление параболических зон в минизоны, разделенные малыми запрещенными энергетическими зонами. При этом зона Бриллюэна определяется периодом струк­туры. Еще раньше, в 1962 году идея создания дополнительного периодического потен­ци­ала была выдвинута в работе Л.Келдыша [2], где рассматривался потенциал, создавав­шийся на поверхности полупроводника полем ультразвуковой волны большой интенсивности.



СР представляют собой новый тип полупроводников, который характеризуется наличием большого числа зон, обладающих очень сильной анизотропией [3, 4] (они практически двумерны). Концентрация электронов и дырок в СР не является фиксированным параметром, определяемым только легированием, а представляет собой легко пере­страиваемую величину. Наличие периодического потенциала у СР существенно меняет энергетический спектр структуры, благодаря чему СР обладают рядом интересных свойств, которые отсутствуют у обычных полупроводников. Пара­метры потенциала СР можно легко изменять в широких пределах, что в свою очередь приводит к существенным изменениям энергетического спектра.

Использование методов газофазной, молекулярно-пучковой и жидкофазной эпитаксий позволяет получать реальные низкоразмерные структуры как для фундаментальных исследований, так и для важных применений в полупроводниковых приборах (инжекционные лазеры, транзисторы с двумерным электронным газом, резонансно-туннельные диоды, электрооптические приборы, фотодетекторы в ИК области).

Теоретическому расчету электронных состояний в низкоразмерных структурах уделяется достаточно большое внимание. При этом структура обыкновенно либо предполагается бесконечной, что физически соответствует пренебрежению граничными эффектами, либо рассматриваются отдельные квантовые ямы. Между тем, в реальных низкоразмерных структурах нельзя исключить влияния на электронный спектр внешних границ, качество которых определяется технологическими условиями выращивания образцов. Работ, посвященных изучению электронных состояний в ограниченных СР, опубликовано мало. Например, в теоретических работах [5,6], рассматривается только одна граница (так называемые полубесконечные СР). Актуальным в связи с этим является развитие теоретического подхода и вывод дисперсионного соотношения для электронов в реальных ограниченных низкоразмерных структурах. При этом интерес представляют как образцы одиночных СР так и образцы, состоящие из контакта двух СР, выращенных последовательно одна на другой.

Первые экспериментальные исследования структур со СР были проведены с образцами GaAs1-xPx/GaAs. Однако, в связи со значительным несоответствием постоянных решеток материалов слоев (до 7%), слои деформируются, и в них присутствуют напряжения. На данный момент не существует общей модели, способной адекватно описать экспериментальные результаты, получаемые в различных типах низкоразмерных структур на основе этих материалов. В СР с напряженными слоями напряжения в решетке можно рассматривать в качестве дополнительной степени свободы. Варьируя толщины и составы слоев, можно изменять фундаментальные параметры СР. В связи с этим актуальным является экспериментальное изучение и теоретический расчет разрешенных электронных состояний и параметров энергетических диаграмм реальных низкоразмерных структур с напряженными слоями на основе GaAs1-xPx/ GaAs1-yPy.

Экспериментальное изучение электронных состояний в реальных низкоразмерных структурах требует применения оптических методов, способных выявлять электронные переходы не только между нижними электронными и дырочными уровнями и минизонами, но и между более высокими. Для этих целей подходят такие методы модуляционной спектроскопии как бесконтактное электроотражение (CER) и пьезоотражение(PzR), регистрирующие высокоэнергетические электронные состояния. Для определения параметров состояний вблизи краев зон важную информацию удается получать при применении таких методов люминесцентной спектроскопии как стационарная (ФЛ), разрешенная во времени фотолюминесценция (ВРФЛ) и поляризованная фотолюминесценция (ПФЛ). Структура спектров отражает процессы взаимодействия в низкоразмерных структурах и позволяет определять энергетическую структуру зон.

Целью настоящей работы является комплексное экспериментальное (методами оптической спектроскопии) и теоретическое исследование электронных состояний в реальных низкоразмерных структурах (набор квантовых ям (MQW), сверхрешетки, гетероконтакт двух сверхрешеток (ГКСР)) на основе GaAs1-xPx/GaAs1-yPy и определение характерных параметров их зонной структуры. Для достижения этой цели решались следующие задачи:

  1. Дальнейшее развитие теории энергетического строения и пространственного распределения волновых функций в ограниченных низкоразмерных структурах (MQW, СР, ГКСР);
  2. Исследование кристаллической структуры, состава и влияния границы раздела сверхтонких пленок твердых растворов GaAs1-xPx, образующих низкоразмерные структуры;
  3. Установление взаимосвязи между теоретически рассчитанными и экспериментально полученными значениями энергий электронных состояний с параметрами изготовленных низкоразмерных структур (состав и толщина слоев, период, тип структуры), путем исследования оптических и излучательных свойств;
  4. Определение значения относительных разрывов зон (Qc=Ec/Eg) и параметров энергетических диаграмм для изученных MQW, СР и ГКСР, используя результаты выполненных экспериментальных и теоретических исследований.

Методологические теоретические и экспериментальные исследования в работе обеспечивались применением в расчетах приближения Кронига-Пени, используя метод мат­риц переноса [3,4]; получением универсальных дисперсионных соотношений, описывающих физическое состояние низкоразмерных структур разного типа, а также моделированием ис­следуемых процессов на ЭВМ и последующим сравнением с результатами экспери­ментальных измерений, проведенных с использованием современных методов оптической спектроскопии [7], используемых для диагностики квантоворазмерных структур.

Научная новизна выполненной работы, состоит в том, что в ней впервые проведено комплексное экспериментальное (методами оптической спектроскопии) и теоретическое исследование электронных состояний в реальных низкоразмерных структурах (MQW, СР, ГКСР) на основе GaAs1-xPx/GaAs1-yPy, полученных модифицированным газотранспортным хлоридным методом, которое заключается в следующем:

  1. Теоретически рассчитано поведение электронных состояний в ограниченных сверхрешетках и показана необходимость учета ограниченности СР, приводящая к появлению в области запрещенных минизон для бесконечных СР разрешенных электронных состояний с таммо-подобной волновой функцией, локализованной в первых слоях СР.
  2. Установлена релаксация механических напряжений с преобладанием заметной плотности дислокаций несо­ответствия на границах слоев, сформированных ступенями роста в эпитаксиальных слоях твердых растворов GaAs­1-xPx, образующих низкоразмерные структуры. Показано, что увеличение толщины слоя, образующего квантовые ямы и уменьшение толщины барьерного слоя (в пределах критической толщины слоев) приводит к повышению пластичности слоев и уменьшению концентрации дислокаций несо­ответствия.
  3. Выявлены возбужденные электронные состояния вплоть до 3-го порядка в реальных низкоразмерных структурах (MQW, СР, ГКСР) на основе GaAs1-xPx/GaAs1-yPy с напряженными и ненапряженными доменами в слоях. Адекватно идентифицированы электронные переходы в исследованных низкоразмерных структурах. Установлено, что при возбуждении ФЛ в структурах, включающих контакт СР с подложкой или СР1 с СР2, происходит фотоинжекция неравновесных носителей из широкозонной СР в более узко­зонную область гетероконтакта, электронные состояния в которой обуславливают из­лу­чательные переходы, наблюдаемые в эксперименте. Для энергий переходов вблизи краев зон (11h и 11l) в спектрах ПФЛ ГКСР при поляризации, соответствующей воз­буж­дению ФЛ в плоскости слоев СР, а излучению в перпендикулярном направлении, обна­ружены фононные повторения, связанные со “свернутыми” акустическими фононами (“folded acoustical phonons”) – TL (поперечно-продольными) и T (попе­речными) с энергиями, сравнимыми с kT. Установлено, что структурные особенности границ раздела слоев связаны с нарушениями регулярности, температурным и флуктуационным размазыванием электронных состояний и приводят к слабому отклонению от правила отбора по четности.
  4. Установлены величины отношений разрывов зон для ненапряженных доменов Qcunstr=0.45 и для напряженных доменов Qchh=0.32 и Qclh=0.43 для изученных MQW; Qchh=0.15 и Qclh=0.20 для СР; Qchh=0.15 и Qclh=0.20 для ГКСР двух одинаковых по составу СР с разными толщинами слоев и показана необходимость учета ограничен­ности СР; Qchh=0.21 и Qclh=0.27 для ГКСР со слоями отличающимся составом, толщи­ной и степенью механических напряжений составляющих CР. Показано, что уменьше­ние величины Ес от 82мэВ (для MQW в области напряженных доменов) до 34мэВ в СР, обусловлено перемешиванием Г и Х состояний в СР (слои толщиной 60).

Практическая значимость результатов работы состоит:





  1. В применимости полученных результатов теоретических исследований для расчетов характеристик и параметров реальных низкоразмерных структур с напряженными слоями и приборов на их основе.
  2. В возможности использования обнаруженных явлений фотоинжекции на границах контактов (подложка с низкоразмерными структурами, между сверхрешетками) и поляризации фотолюминесценции в рассмотренных ограниченных низкоразмерных структурах, отличающихся по составу и количеству периодов слоев, для улучшения параметров приборов и устройств современной электроники и оптоэлектроники и создания новых.

Положения, выносимые на защиту:

    1. Теоретический анализ поведения электронных состояний в низкоразмерных структурах и в гетероконтактах на их основе, учитывающий ограниченность структур, и приводящий к появлению в области запрещенных минизон для бесконечных СР разрешенных электронных состояний, которые описываются таммо-подобной волновой функцией, локализованной в первых двух слоях СР.
    2. Образование напряженных и ненапряженных доменов в слоях и наличие релаксации механических напряжений с преобладанием заметной плотности дислокаций несо­от­ветствия на границах слоев, сформированных ступенями роста в эпитаксиальных слоях твердых растворов GaAs­1-xPx, образующих изученные низкоразмерные структуры.
    3. Адекватность идентифицирования электронных переходов на дырочные минизоны вплоть до 3-го порядка в результате комплексного экспериментального (методами оптической спектроскопии) и теоретических исследований электронных состояний в реальных низкоразмерных структурах (MQW, СР, ГКСР) на основе GaAs1-xPx/GaAs1-yPy с напряженными и ненапряженными доменами в слоях с толщинами в пределах критической. Особенности физических процессов в рассматриваемых низкоразмерных структурах, связанные с нарушением правил отбора по четности, “свернутыми” акустическими фононами (“folded acoustical phonons”), перемешиванием Г и Х состояний и фотоинжекцией неравновесных носителей из широкозонной СР в более узкозонную область гетероконтакта.
    4. Найденные величины отношений разрывов зон для ненапряженных и напряженных доменов всех типов исследованных низкоразмерных структур (MQW, СР, ГКСР) на основе GaAs1-xPx/GaAs1-yPy и их энергетические диаграммы.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на: Conferina tiinific studeneasc, dedicat jubileului de 50 de ani de la fondarea USM. (Chiinu, Moldova, 1996); 19th International semiconductor conference "CAS'96" (Sinaia, Romania, 1996); Colocviul Internaional de fizic "Evrika" ediia a.4.(Chiinu, Moldova, 1997); 10th International conference on superlattices, micro­structures and microdevices, ICSMM-10 (Lincoln, Nebraska, USA, 1997); III-ей Всеросийской конференции по физике полупроводников "Полупроводники'97" (Москва, Россия, 1997); The 24th International conference on physics of semiconductors (Jerusalem, 1998); Conferina corpului didactico-tiinific "Bilanul activitii tiinifice a USM pe anii 1996/1997" (Chiinu, Moldova, 1998); XIV International school-seminar "Spectro­scopy of molecules and crystals" (Odessa, Ukraine, 1999); 41st Electronic materials conference (Santa Barbara, USA, 1999); International Conference ICL-02 (Budapest, Hungary, 2002); 3rd International Conference on “Microelectronics and Computer Science” ICMCS-02 (Chiinu, Moldova, 2002).

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 21 научной работе.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, цитируемой литературы и 3 прило­жений. Работа содержит 168 страниц, включающие текст, 66 рисунков, 8 таблиц, 80 наименований цитируемой литературы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются цель и задачи работы, ее научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту, кратко излагается содержание работы.

В первой главе представлен литературный обзор, в котором приводятся результаты проведенных экспериментальных и теоретических ис­следований электронных свойств квантово-размерных структур GaAs/GaAsP. Рассмотрен и проанализирован вопрос о подходах к определению величин разрывов зон на гетерогранице материалов образующих эти структуры. Отмечается, что интерес к исследованию низкоразмерных структур в системе GaAs/GaAs1-xPx с напряженными слоями связан с возможностью проведения фундаментальных исследований влияния деформации на физические явления, протекающие в них. Разница в постоянных кристаллических решеток в слоях, образующих квантовые структуры приводит к напряжениям сжатия или растяжения в них, что создает дополнительную степень свободы для непрерывного и независимого изменения фундаментальных параметров СР. В перспективе эти структуры могут применяться для изготовления эффективных инжекционных лазеров, модуля­ционно легированных высокоскоростных полевых транзисторов и других оптоэлектронных структур.

Технологии gas-source molecular beam epitaxy (GSMBE), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) или chloride transport chemical vapor deposition (CTCVD) позволили получать достаточно высококачественные структуры в этой системе и проводить более глубокие экспе­риментальные исследования. Физические свойства, получаемых низкоразмерных структур в значительной мере определяются качеством слоев и состоянием гетерограниц между ними.

В литературе приводятся достаточно противоречивые данные о формировании низкоразмерных структур на основе GaAs/GaAs1-xPx, электронных состояниях в них, а также о величинах разрывов зон на гетерограницах слоев. При рассмотрении различных низкоразмерных структур на основе GaAs/GaAs1-xPx определяется от каких факторов зависят их основные характеристики и параметры, к которым относят в первую очередь энергии и структуру зон, пространственное распределение волновых функций в тонкопленочных слоях и величины разрывов зон на их границах. Совокупность этих характеристик и параметров определяет физические свойства и возможности практических применений рассматриваемой квантоворазмерной структуры. Теоретические и экспериментально полученные величины разрывов зон на гетерогранице материалов GaAs/GaAs1-xPx до сих пор обсуждаются. В литературе приводятся противоречивые данные о величинах разрывов зон, что связано с присутствием напряжений в слоях. Экспериментально исследованы спектры излучения и возбуждения фотолюминесценции; спектры отражения напря­женных одиночных квантовых ям (QW) и сверхрешеточных структур (CР). Из этих экспериментальных исследований авторы работ рассчитывали параметры Qv и Qc, позволяющие вычислить разрывы зон на границе. Получены следующие значения: Qc=0.58 (0.54; 0.52) ±0.01, Qvl=0.23 (0.29; 0.32) ±0.01, Qvh=0.42 (0.46; 0.48) ±0.01 соответственно для х=0.15 (0.20; 0.22).



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.