Исследование фосфида индия, арсенида галлия и их твердых растворов методами фото- и электроотражения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Ахмед Абдел Моез Абдел Рахман Езз

• Ахмед Абдел Моез Абдел Рахман Езз
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ахмед Абдел Моез Абдел Рахман Езз

Список основных используемых в работе обозначений и сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

Гл.1. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСОГО ЛОЛЯ НА ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ InP, GaAs, и GaAsP

1.1. Эффект Франца-Келдыша.

1.2. Экситонные эффекты.

1.3. Фото- и электроотражение как методы исследования полупроводниковых материалов.

1.4. Исследование InP, GaAs и GaAs|.xPx методами фото- и Электроотражения.

Гл. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ИССЛЕДОВАННЫЕ ОБРАЗЦЫ

2.1. Установка для измерения спектров фото- и электроотражения

2.1.1. Функциональная схема и аппаратура установки ФО.

2.1.2. Градуировка установки и выбор фотоприемников.

2.1.3. Технические данные модернизированной установки.

2.1.4. Методика измерений спектров фото- и электроотражения.

2.2. Характеристики исследованных образцов.

2.2.1. Образцы эпитаксиальных слоев GaAs и InP.

2.2.2. Образцы твердых растворов GaAsi.xPx.

Гл. 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЁВ InP и GaAs

3.1. Исследование эпитаксиальных слоёв InP методом ФО.

3.2. Определение концентрации свободных насителей заряда в эпитаксиальных слоех InP.

3.3. Исследование эпитаксиалных слоёв GaAs методом ФО

3.3.1. Определение напряжённости электрического поля в эпитаксиальных слоях GaAs методом фотоотражения.

3.3.1а. Область энергий hco>Eg.

3.3.16. Область энергий hco<Eg

3.3.2. Исследование GaAs методом фотоотражения при низкой температуре.

Гл. 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ GaAs,.xPx МЕТОДАМИ ФОТО- И ЭЛЕКТРООТРАЖЕНИЯ

4.1. Результаты, полученные методом фотоотражения.

4.2. Результаты, полученные методом электроотражения.

4.3. Оценка качества исследованных барьеров Шоттки Ag-GaAs,.xPx.

4.4. Определение параметров барьера Шоттки для системы Ag-GaAs,.xPx.

4.5. Определение высоты потенциального барьера Ag-GaAsi.xPx.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование фосфида индия, арсенида галлия и их твердых растворов методами фото- и электроотражения»

Полупроводниковые эпитаксиальные слои и структуры на основе арсенида галлия и фосфида индия являются не только интересными объектами для фундаментальных исследований, но и широко используются в оптоэлектронике и наноэлектронике. Именно на основе этих материалов изготавливаются современные полупроводниковые приборы, поэтому неразрушающая диагностика таких слоев является важной задачей физики полупроводников. Применяемые для этой цели методы электронной микроскопии, Оже-спектроскопии и электронно-зондового микроанализа весьма трудоёмки и требуют дорогостоящего оборудования. Развиваемые в настоящей работе методы фотоотражения (ФО) и электроотражения (ЭО) являются разновидностью модуляционной оптической спектроскопии и обладают высокой чувствительностью и информативностью. Они сравнительно просты в практической реализации, не требуют помещения образца в высокий вакуум и являются неразрушающими.

Исследуемые в настоящей работе эпитаксиальные слои арсенида галлия, фосфида индия и их твёрдые растворы являются базовыми материалами для современной опто- и наноэлектроники. Поэтому полученные результаты могут представлять общий интерес для физики и техники полупроводников.

Целью работы является исследование влияния легирования на форму спектров фото- и электроотражения объемных кристаллов и эпитаксиальных слоёв InP, GaAs, GaAsi.xPx и разработка неразрушающих методов определения концентрации свободных носителей заряда, напряжённости встроенного электрического поля и высоты потенциального барьера в структурах металл-полупроводник.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Измерение модуляционных оптических спектров фотоотражения InP и GaAs и влияния концентрации свободных носителей заряда на их форму.

2. Расшифровка дифференциальных спектров ФО и ЭО и выделение вклада экситонных переходов в их формирование.

3. Определение встроенных электрических полей и концентрации свободных носителей заряда по спектрам ФО и ЭО в эпитаксиальных слоях InP и GaAs.

4. Измерение спектров ФО и ЭО эпитаксиальных слоев твёрдых растворов GaAsixPx и разработка метода определения концентрации свободных носителей заряда в них.

5. Разработка метода определения высоты потенциального барьера металл-полупроводник на примере системы Ag-GaAs!.xPx и определение влияния состава твёрдого раствора на эту величину.

В качестве объектов исследования были выбраны:

- эпитаксиальные слои n-GaAs с концентрацией свободных носителей заряда от 1013до 1017см"3, выращенные методом газофазной или жидкофазной эпитаксии как на полуизолирующих, так и на низкоомных п+-подложках;

- эпитаксиальные слои п- и р-InP с концентрацией свободных носителей заряда п от 1015до 1018см"3 и р~1016см'3, выращенные методом газофазной эпитаксии;

- эпитаксиальные слои твёрдых растворов GaAs|.xPx в диапазоне составов 0<х<1, выращенные методом газофазной эпитаксии.

Научная новизна представленных в работе результатов заключается в следующем:

1. Показано, что форма модуляционных спектров фото- и электроотражения монокристаллических эпитаксиальных слоев InP и GaAs определяется в основном концентрацией свободных носителей заряда.

2. Спектральное положение и форма осцилляций в спектрах ФО и ЭО GaAsi.xPx определяются как составом х твёрдого раствора, так и концентрацией свободных носителей заряда.

3. Методом электроотражения определена зависимость высоты потенциального барьера Шоттки Ag-GaAs|.xPx от состава твёрдого раствора и показано, что она может быть аппроксимирована квадратичной функцией х.

Практическая значимость работы:

1. На основе измерений спектров фотоотражения разработан неразрушающий метод определения концентрации свободных носителей заряда в объемных кристаллах и эпитаксиальных слоях InP, GaAs и GaAsi.xPx в диапазоне изменения п от 5-Ю13 до 5-Ю17 см"3.

2. Получены данные о высоте потенциального барьера Шоттки Ag-GaAsj.xPx, необходимые для создания селективных фотоприёмников.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Форма линий фото- и электроотражения однородных эпитаксиальных слоёв InP и GaAs определяется концентрацией свободных носителей заряда и изменяется с её ростом от единичной осцилляции в случае малых концентраций

19

10 см для GaAs) к уширяющимся затухающим осцилляциям Франца-Келдыша.

2. Фотоотражение, измеренное при комнатной температуре, позволяет определять концентрации свободных носителей заряда в InP в диапазоне от 6-1015 до МО18 см-3 и в GaAs в диапазоне от 5-1013 до 5-1017см~3.

3. Высота потенциального барьера Ag-GaAsixPx, определённая методом электроотражения, монотонно растёт с увеличением доли фосфора в твёрдом растворе и может быть аппроксимирована квадратичной функцией состава х.

Апробация результатов работы:

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

- 6-й Всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, Россия, 2004);

- 8-й научной молодёжной школе по твердотельной электронике " Актуальные аспекты нанотехнологии"( Санкт-Петербург, Россия, 2005);

- 10-й научной молодежной школе по твердотельной электронике "Физика и технология микро- и наносистем" (Санкт-Петербург, Россия, 2007);

- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2005-2006).

- Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научные работы, из них - 1 статия // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ" (Известия государственного электротехнического университета). Сер. Физика твёрдого тела и электроника. -2005. - № 2. - С. 48-51.

Работа выполнена на кафедре Микроэлектроники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» в

Отраслевой научно-исследовательской лаборатории оптических методов контроля.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы, включающего 68 наименования. Основная часть диссертации изложена на 58 страницах машинописного текста. Работа содержит 30 рисунка и 12 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Ахмед Абдел Моез Абдел Рахман Езз

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Показано влияние свободных носителей заряда на форму спектральных линий фото- и электроотражения монокристаллических эпитаксиальных слоев InP и GaAs.

2. Бесконтактно, при комнатной температуре определена напряжённость приповерхностного электрического поля и измерена концентрация |ND-NA| в InP (6-10,5-1.4-1018 см-3) и в GaAs (5-10,3+5Т017см-3).

3. Методом электроотражения определена высота потенциального барьера Ag-GaAs|.xPx при разных составах. Показано, что эта величина монотонно растёт с увеличением доли фосфора в твёрдом растворе и может быть аппроксимирована квадратичной функцией состава х.

В заключение выражаю глубокую благодарность тем, без чьего участия не состоялась бы настоящая работа:

- Александру Николаевичу Пихтину, научному руководителю, - за постановку задачи и всестороннюю поддержку при проведении научных исследований, результаты которых вошли в диссертацию;

- Олегу Сергеевичу Комкову, за его постоянную помощь.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ахмед Абдел Моез Абдел Рахман Езз, 2007 год

1. Franz, W. Influence of an electric field on an optical absorption edge (in German) / W. Franz // Z. Naturforsch. -1958. V. 13a. - P. 484-489.

2. Келдыш, JI.B. О влиянии сильного электрического поля на оптические характеристики непроводящих кристаллов / JI.B. Келдыш // ЖЭТФ. 1958. Т. 34, Вып. 5.-С. 1138-1141.

3. Бонч-Бруевич, B.JI./ В.Л.Бонч-Бруевич, С.Г.Калашников // Физикаполупроводников. М.: Наука. — 1979. С. 157.

4. Frova, A. Shift of optical absorption edge by an electric field: Modulation of light in the space-charges region of a Ge p-n junction / A. Frova, P. Handler // Appl. Phys. Lett. 1964.-V. 5.-P. 11-13.

5. Frova, A. Franz-Keldysh effect in the space-charges region of a germanium p-n junction/A. Frova, P. Handler//Phys. Rev. 1965, -V. 137. -P. A1857-A1861.

6. Кардона, M. Модуляционная спектроскопия / M. Кардона ; пер. с англ. М. : Мир, 1972.-416 с.

7. Тягай, В.А. Электроотражение света в полупроводниках / В.А. Тягай, О.В. Снитко. Киев: Наукова думка, 1980. -302 с.

8. Abramowitz М., Stegun L A./ Handbook of Mathematical Functions/ M.Abramowitz, L.A.Stegun: NBS Math. Ser. —Washington, DC: US GPO, 1970.-No. 44.-Sect. 10.

9. Питер, Ю. Основы физики полупроводников / Питер Ю, М. Кардона ; пер. с англ. под ред. акад. Б. П. Захарчени. 3-е изд. - М.: Физматлит, 2002. - С. 560.

10. Thamarlingham, К. Optical absorption in the presence of uniform electric field/ K. Thamarlingham // Phys. Rev. 1963. - V. 130. - P. 2204-2206.

11. Estrera, J.P. Complex Airy analysis of photoreflectance spectra for III-V semiconductors / J.P. Estrera, W.M. Duncan, R. Glosser // Phys. Rev. B. -1994. -V. 49. P. 7281-7294.

12. Aspnes, D.E. Schottky barrier electroreflectance: Application to GaAs / D.E. Aspnes, A.A. Studna // Phys. Rev. B. 1973. - V. 7. - P. 46054625.

13. Wannier, G.H. The structure of excitation levels in insulating crystals / G.H. Wannier//Phys. Rev. 1937.-V. 52.-P. 191-197.

14. Mott, N.F. Conduction in polar crystals -II / N.F. Mott // Trans. Faraday Soc 1938.-V. 34-P. 50-54.

15. Киселёв.В.А. Экситонная спектроскопия приповерхностной области полупроводников/ В.А.Киселёв, Б.В.Новиков, А.Е.Чередниченко. 2-е Изд., доп. и испр. -СПб.: Изд-во СПбГУ, 2003. - С. 244.

16. Скайтис, Э. Влияние неоднородного поверхностного потенциала на экситонное отражение света / Э. Скайтис, В.И. Сугаков // Лит. физ. сб. -1974. -Т. 14, Вып. 2. -С. 297-304.

17. D. F. Blossey., Phys. Rev. В Solid state. -1971. -Vol 3,4. - P. 1382-1391.

18. Ландау, Л.Д. Квантовая механика, нерелятивистская теория / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц ; -М.: Физматгиз, 1959. -704 с.

19. Blossey, D.F. Wannier exciton in an electric field. I. Optical absorption by bound and continuum states / D.F. Blossey // Phys. Rev. В Solid state. - 1970. -№19.-P. 3976-3990.

20. Merkulov, I. A. Effect of electron-hole interaction on electroabsorption in semiconductors/ I.A. Merkulov, V.I. Perel' // Phys. Lett. A. 1973. -V. 45. -No. 2. - P. 83-84.

21. Меркулов, А.И. Влияние экситонного эффекта на электропоглощение в полупроводниках / А.И. Меркулов // ЖЭТФ.-1978. -Т. 66, Вып. 6. С. 2314-2324.

22. Аронов, А.Г. Влияние электрического поля на экситонное поглощение /

23. А.Г. Аронов, А.С. Иоселевич // ЖЭТФ.-1974. -Т. 74, Вып. 3. С. 10431052.

24. Pond, S.F. Flatband electroreflectance of gallium arsenide: II. Comparison oftheory and experiment / S.F. Pond, P. Handler // Phys. Rev. B. Solid State. -1973.-V. 8.-P. 2869-2879.

25. Frova, A. Electric field shift of the absorption edge in the space charge region of a Ge p-n junction / A. Frova, P. Handler // Physics of Semiconductors / Ed. by M. Hulin.—Paris: Dunod. 1964. - P. 157-164.

26. Seraphin, B.O. Franz-Keldysh effect above the fundamental edge ingermanium/ B.O. Seraphin, R.B. Hess // Phys. Rev. Lett. 1965. -V. 14. -P.138-140.

27. Aspnes, D.E. Modulation spectroscopy/electric field effects on the dielectric function of semiconductors // Handbook of Semiconductors / Ed. by M. Balkanski. — Amsterdam: North-Holland. -1980. -V. 2. -P. 109-154.

28. Pollak, F.H. Modulation spectroscopy of semiconductors: Bulk/thin films, microstructures, surfaces/interfaces and devices / F.H. Pollak, H. Shen // Mater. Sci. Eng. -1993. -V. R 10. -P. 275-374.

29. Комков, О.С. Определение напряжённости электрического поля в квантовых ямах методами фото- и электроотражения / О.С. Комков, А.Н. Пихтин // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» / СПб гос. электротехн. ун-т. -2003. Вып. 2 : Физика твёрдого тела и электроника. С. 42-45.

30. Jiti Nukeaw. Characterization of InP 5-doped with Er by FFT photoreflectance / Jiti Nukeaw , Naoteru Matsubara, Yasufumi Fujiwara, Yoshikazu Takeda // Applied Surface Science. 1997. - V. 117-118. - P. 776.

31. Авакянц, Л.П. Исследование активации примеси в InP, имплантированном ионами бериллия, методом фотоотражения / Л. П. Авакянц, П.Ю. Боков, А.В. Червяков // Физика и Техника Полупроводников. 2005. - Том. 49. Вып 2 - С. 189.

32. Hwang, J. S. , Built-in electric field and surface Fermi level in InP surface-intrinsic n structures by modulation spectroscopy / J.S. Hwang, W. Y. Chou, M. C. Hung , J.S. Wang and H.H. Lin // J. Appl. Phys. 1997. - V. 82. - P. 3888.

33. Seraphin, В. O. Electroreflectance studies in GaAs / B.O. Seraphin // J. Appl. Phys. 1966. - V. 37. - P. 721-728.

34. Shay, L. Photoreflectance line shape at the fundamental edge in ultrapure GaAs / L. Shay // Phys. Rev. B. 1970. - V. 2. - P. 803.

35. Peters, L. Noncontact doping level determination in GaAs using photoreflectance spectroscopy / L. Peters , L.Phaneuf, L.W. Kapitan and W.M. Theis // J. Appl. Phys. 1987. - V. 62. - P. 4558.

36. Misiewicz, J. Semiconductor heterostructures and device structures investigated by photoreflectance spectroscopy / J. Misiewicz, P. Sitarek, G. Sek and R. Kudrawiec // Material Science. 2003. - V. 21. - P. 263-320.

37. Badakhshan, A. Correlation between the photoreflectance response at El andcarrier concentration in n- and p-GaAs / A. Badakhshan, R. Glosser, S. Lambert //J. Appl. Phys.-1991.-V. 69.-P. 2525.

38. Bottka, N. Surface and interface of GaAs/SI-GaAs structures investigated by photoreflectance spectroscopy / N. Bottka, D.K. Gaskill, R.S. Sillmon, R. Henry, R. Glosser//J. Electron. Mater.-1988.-V. 17.-P. 161.

39. Sydor, M. Photoreflectance measurements of unintentional impurity concentrations in undoped GaAs / M. Sydor, J. Angelo, W. Mitchel, T.W. Hass and Ming-Yuan Yen // J. Appl. Phys. 1989. - V. 66. - P. 156-160.

40. Маделунг О. Физика полупроводниковых соединений элементов III и V групп. // М.: Мир, 1967.

41. Маринина JI. И. Полупроводниковые фосфиды АШВУ и твердые растворы на их основе / Л.И. Маринина, А .Я. Нашельский, И.И. Колесник // М.: Металлургия, 1974.

42. Горюновой Н. А. Физика и химия соединений A"BV1. / Перевод с англ. под ред. Медведева С. А. М.: Мир, 1970.

43. J.A. Van Vechten, and Т.К. Bergstresser // Phys. Rev. В., 1970 - V. 1. -P. 3351.

44. Lupal M. V., and Pikhtin A. N // Fiz. Tech. Poluprovodn. 1980. - V. 14. - P. 2178 (English translation: semiconductors 14, 1291).

45. M. Bugajski, A. M. Kontkiewicz, and H. Mariette // Phys. Rev. В., 1983. -V. 28 . - P. 7105 and references therein.

46. Тодоров, M.T. Установка для исследования фотоотражения полупроводников / M.T. Тодоров, М.В. Коняев // Изв. СПбЭТИ / -1992. Вып. 433.-С. 57-60.

47. Спектрометр инфракрасный ИКС-31. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. -Л.: ЛОМО, 1977.

48. Коняев, М. В. Исследование гетеропереходов и квантово-размерных структур методом фотоотражения . Дисс. канд. физ.-мат. наук. СПб.: СПбГЭТУ, 1995.

49. Зайдель, А.Н. Таблицы спектральных линий / Зайдель А.Н. и др. // -М.: Физматгиз, 1962.

50. Аксененко, М. Д. Микроэлектронные фотоприемные устройства / Аксененко М. Д., Бараночников М. Л., Смолин О.В. // -М. Энергоатомиздат, 1984., L. P. Avakyants, P. Yu. Bokov, А. V. Chervyakov, Физика и техника полупроводников. 2005. - V. 39. - С. 189.

51. V.L. Dostov, Yu. V. Zhilyaev, I.P. Ipatova, A.Y. Kulikov, Y.N. Makarov, G.R. Markaryan // High Purity Mater. -1989. -V. 4. -P. 74.

52. Жиляев, Ю.В. // Дисс. . д. физ.-мат. наук. АН СССР. ФТИ им. А.Ф. Иоффе.-Л., 1991.

53. Ботнарюк, В.М. Особенности эпитаксиальных слоёв GaAs как детекторов а-частиц / В.М. Ботнарюк и др. // Письма в ЖТФ. -1998. -Т. 24. -С. 8-15.

54. С. А. Тарасов . Исследование фотодиодных структура на основе фосфидагаллия и твердых растворов AniBv для селективных фотоприемников Дисс. д. физ.-мат. наук. СПбГЭТУ. СПб., 2001.

55. D. Е. Aspnes// Surf. Sci. 1973. - V. 34.-P. 418.

56. Пихтин, A. H. Фотоотражение полуизолирующего GaAs при frco<Eg/A. Н. Пихтин, М.Т. Тодоров // ФТП. 1994. -Т. 28. - С. 1068-1075.

57. Hughes, P. J. Analysis of Franz-Keldysh oscillation in photoreflectance spectra of a AlGaAs/GaAs single-quantum well structure / P. J. Hughes, B. L. Weiss, T. J. C. Hosea // J. Appl. Phys. 1995. -V. 77, No. 12. - P. 6472-6480.

58. Коняев, M.B. Исследование гетеропереходов в квантово-размерных структурах методом фотоотражения. Дисс. . канд. физ.-мат. наук. -СПб., 1995.

59. Розеншер, Э. Оптоэлектроника / Э. Розеншер, Б. Винтер; пер с фр. под ред. О.Н. Ермакова. 2-е изд. - М. : Техносфера, 2004. - 592 с.

60. Adachi, S. Optical dispersion relation for GaP, GaAs, GaSb, InAs, AlxGai.x As, InixGaxAsyPi.y / S. Adachi // Journal of Applied Physics. 1989. - V. 66. - P. 6030.

61. B.Sapoval / Physics of Semiconductors // (Spring, New York, 1995).

62. Шур, M. Физика полупроводниковых приборов : в 1-х книгах / С. Зи ; пер. с англ. под ред. д.ф.-м.н. Р.А. Суриса. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Мир, 1984.

63. D. G. Parker// GEC J. of research. 1987. - V. 5. No. 3. - P. 116.

64. Зи, С. Физика полупроводниковых приборов : в 1-х книгах / С. Зи ; пер. с англ. под ред. д.ф.-м.н. Р.А. Суриса. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Мир, 1984.