Применение методов фото- и электроотражения к изучению квантово-размерных гетероструктур

В настоящее время в микроэлектронике все более интенсивно используются многослойные низкоразмерные структуры с квантовыми ямами, нитями, точками. В связи с этим принципиальное значение приобретает разработка методик исследования и контроля параметров таких структур. Для этих целей нами использовались методы фото- и электроотражения, сущность которых заключается в регистрации изменения интенсивности отраженного от поверхности исследуемого образца луча света при периодическом возмущении образца лазерной подсветкой (в методе фотоотражения) или внешним электрическим полем (в методе электроотражения).

На форму спектральной линии влияют не только параметры квантовой ямы, но и интерференционные явления, приводящие к существенному изменению фазы, вплоть до инверсии сигнала. Кроме того, интерес вызывает влияние электрического поля, действующего в образце, на форму спектральной линии. Для исследования данных эффектов была изготовлена серия образцов с различной толщиной верхнего широкозонного слоя при одинаковых составе и ширине квантовой ямы.

Также исследовались образцы с различной шириной квантовой ямы, которая изменялась от 11 до 23 нм.

Измерения проводились в спектральном диапазоне 1.15…1.60 эВ при комнатной температуре на экспериментальной установке, собранной на базе монохроматора ИКС-31.

Типичный спектр фотоотражения приведен на рисунке (рис. 1).

В процессе исследования были обнаружены следующие закономерности:

• с уменьшением толщины верхнего широкозонного слоя наблюдается значительное уширение спектральной линии фотоотражения в области ямы и изменяется соотношение амплитуд различных пиков, что свидетельствует о перераспределении вероятностей оптических переходов между энергетическими уровнями в квантовой яме, вызванном влиянием электрического поля;

• при увеличении ширины квантовой ямы происходит перераспределение интенсивностей различных пиков в спектрах фотоотражения, а также вследствие увеличения числа уровней размерного квантования увеличивается количество пиков в спектрах фото- и электроотражения;

• с изменением постоянного напряжения изменяется соотношение амплитуд различных пиков в спектрах электроотражения, с увеличением постоянного смещения наблюдается уширение спектральной линии, ее сдвиг в сторону меньших значений энергии.

Анализ спектров фото- и электроотражения показывает, что формы линий в обоих случаях качественно похожи. Это свидетельствует о том, что механизмы образования сигнала фото- и электроотражения одинаковы.

В спектрах фото- и электроотражения присутствует сигнал как от квантовой ямы (область энергий 1.15…1.42 эВ), так и от арсенида галлия (область энергий выше 1.42 эВ) (см. рис. 1). В сигнале от арсенида галлия наблюдаются осцилляции Франца-Келдыша, по которым по стандартной методике была рассчитана величина напряженности приповерхностного электрического поля, которая составила 20 кВ/см. Кроме того, была посчитана напряженность электрического поля в квантовой яме путем моделирования спектра фотоотражения с учетом экситонных эффектов в области энергий квантовой ямы по методике, предложенной в [1], и получено значение 27 кВ/см. Таким образом, два независимых метода определения напряженности электрического поля в приповерхностной области полупроводника дают близкие значения.

Литература: