О. С. Комков, А. Н. Пихтин, С. А. Тарасов

ОПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

Определение основных параметров объемных полупроводников и энергетического спектра наноструктур на их основе является фундаментальной задачей опто- и наноэлектроники. В связи с тем, что арсенид галлия хорошо изучен, его можно рассматривать в качестве модельного материала для разработки новых методов исследования соединений типаA3B5.

В то же время твердые растворы на основе арсенида галлия отличаются невысокой стоимостью при высоком качестве эпитаксиальных слоев, что позволяет использовать их при создании фотодетекторов для видимого и ближнего ИК-диапазонов. В настоящей работе представлены результаты исследования структур на основе арсенида галлия методом модуляционной оптической спектроскопии, а также рассмотрено их использование для создания фотоприемников с различной селективностью.

Модуляционная спектроскопия наноструктур InxGa1–xAs/GaAs

В настоящее время самые популярные оптические методы изучения полупроводников основаны на фото- и электролюминесценции. Однако эти методы дают информацию лишь о самых низкоэнергетичных оптических переходах. Вместе с тем, знание энергий других критических точек также бывает очень важным. Метод возбуждения фотолюминесценции может дать информацию о более высоких энергетических уровнях, но для его реализации необходимы дорогостоящие перестраиваемые лазеры.

Они сложны в эксплуатации и имеют ограниченный рабочий диапазон энергий. Кроме того, для получения точной информации об энергетической структуре или качестве кристалла указанными методами необходимо охлаждение исследуемого образца до температуры жидкого гелия.

Разновидности метода модуляционной оптической спектроскопии, к которым относятся рассматриваемые в данной статье методы фото- и электроотражения, являются одними из лучших неразрушающих методов оптических исследований зонной структуры полупроводников. Большая часть того, что известно об энергиях критических то-

115

чек различных материалов, получена именно этими методами[1].

Вмодуляционной спектроскопии исследуется пропускание или отражение образца на различных длинах волн при одновременном внешнем изменении (модуляции) его диэлектрической функции. В случае отражения, переменная компонента сигнала( R) обычно детектируется при помощи фазочувствительного усилителя(lock-in-усилителя), что позволяет записывать дифференциальный спектр. В методе электроотражения (ЭО) модуляция осуществляется внешним переменным электрическим полем, что требует изготовления электрических контактов к образцу. В связи с этим, большее распространение получила бесконтактная разновидность метода модуляционной оптической спектроскопии – метод фотоотражения (ФО).

Модуляция в методе ФО производится при помощи механически перекрываемого луча лазера с энергией фотонов, превышающей ширину запрещенной зоны исследуемого полупроводника. Когда лазер открыт, происходит фотогенерация носителей заряда и они захватываются ловушками на поверхности полупроводника(оборванными связями собственных атомов и др.) или на интерфейсах гетероструктуры. Это ослабляет встроенное электрическое поле. Когда лазер закрыт, заселенность ловушек, а следовательно и поле, восстанавливаются [2].

Вобъемном полупроводнике модуляция электрического поля приводит к наблюдению усиленных экситонными явлениями осцилляций Франца–Келдыша [3]. В случае квантово-размерных структур, таких, например, как квантовые ямы (КЯ), описанный механизм модуляции приводит к штарковскому сдвигу энергетических уровней, что моду-

лирует диэлектрическую функцию и относительное отражение R/R. При этом удаляется вклад не интересующего нас широкого фонового сигнала R и влияние измерительной установки. При комнатной температуре методом ФО можно измерять спектры с таким же энергетическим разрешением, как при фотолюминесценции или при возбуждении фотолюминесценции при температуре жидкого гелия. Кроме того, измерение ФО может в одном спектре дать энергии критических точек в более широком диапазоне. Все это позволяет наблюдать в спектрах ФО и ЭО не только самое низкоэнергетическое состояние, но и множество высоко-

116

энергетичных переходов. Например, как будет показано ниже, в КЯ отчетливо наблюдаются межзонные переходы между возбужденными уровнями квантовых ям для электронов и дырок. Это позволяет точно определить энергии переходов и, соответственно, зонную структуру.

Вотличие от более сложных оптических методов , спектр ФО можно измерить, имея сравнительно недорогой набор оборудования: источник белого света (например, вольфрамовую лампу), простой решеточный спектрометр и небольшой, механически прерываемый лазер (например, He–Ne-лазер мощностью 3мВт). Это оборудование позволяет проводить измерения в довольно широком спектральном диапазоне.

Вкачестве объекта исследования в данной работе были выбраны одиночные квантовые ямы в структуреInxGa1–xAs/GaAs разной шири-

ны и состава. Такие структуры используются для создания активных областей мощных ИК-лазеров. Излучение нескольких лазеров можно ввести в оптическое волокно и тем самым значительно увеличить выходную мощность системы. В настоящее время подобные системы получили широкое распространение в различных областях науки и техники. Например, в машиностроении лазерный луч позволяет осуществлять резку или сварку металлов в труднодоступных местах.

Поскольку практически во всех полупроводниковых приборах с квантовыми ямами они (ямы) находятся в электрическом поле, то на первый план выходит исследование влияния внешнего и внутреннего электрических полей на энергетический спектр КЯ. Исследовать это влияние удалось путем измерения спектров ЭО указанных образцов. Для этого на их поверхность был нанесен полупрозрачный слойсе ребра, образовавший с поверхностным слоем полупроводника барьер Шоттки. С обратной стороны образца изготавливался омический контакт. В качестве модулирующего воздействия к контактам прикладывалось слабое (около 100 мВ) переменное электрическое напряжение. Кроме того, к этим же контактам прикладывалось постоянное напряжение смещения (от +1 до –7 В), что позволяло изменять напряженность встроенного электрического поля в пределах от 2 до 180 кВ/см.

117

118