О.А.Рябушкин, канд. физ.-мат. наук; В.А.Сабликов, д-р физ.-мат. наук; М.С.Поволоцкий, Е.И.Лонская, А.О.Волков, Институт радиотехники и электроники РАН (e-mail: roa228@ire2l6.msk.su)
ОПТИЧЕСКАЯ
МОДУЛЯЦИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ РЧ
ПОЛЯ И ТОКА
|
Предлагаются новые методы оптической модуляционной спектроскопии для исследования полупроводников и полупроводниковых гетероструктур. Эти методы основаны на влиянии переменного электрического тока (или бесконтактного прикладываемого РЧ поля) или СВЧ поля с переменной интенсивностью на отражение зондирующего света. Такое влияние позволяет изучать встроенные и индуцированные электрические поля, эффекты электронно-дырочного взаимодействия в различных слоях полупроводниковых структур. |
Спектры электроотражения,
индуцированного током
Оптические модуляционные методы исследования полупроводниковых гетероструктур (фотоотражение, электроотражение, фототермическая и фотоакустическая спектроскопия и т.д.) вызывают большой интерес, так как они обладают такими важными преимуществами, как бесконтактность, возможность использования in-situ, высокая чувствительность. Однако при их разработке и использовании возникает серьезная проблема, связанная с тем, что измеряемые в этих методах отклики несут интегральную информацию о структуре и свойствах нескольких физически различных слоев, расположенных под поверхностью исследуемого образца. Проблема состоит в интерпретации измерений и количественном определении искомых параметров, относящихся к слоям гетероструктуры, таких как состав слоев, толщины, встроенные электрические поля, концентрация электронов, подвижность. В методах фототермической диагностики эта задача решается, например, путем исследования зависимости откликов от частоты модуляции света. При этом изменяется длина тепловой волны и таким образом происходит сканирование образца вглубь. Однако в структурах с субмикронными размерами слоев это оказывается невозможным из-за необходимости использовать слишком высокие частоты. Методики дифференциального фотоотражения также не решают проблему.
В настоящей статье рассматривается другая возможность решения указанной
проблемы с использованием детального анализа спектров отражения. Для этого
проводится количественное исследование спектров и устанавливается связь формы
спектра электроотражения (ЭО) со свойствами слоев гетероструктуры 
. Провести такой анализ в случае широко используемого метода
фотоотражения очень затруднительно (особенно при низких температурах) из-за
вклада фотолюминесценции в измеряемый сигнал. Преимущество предлагаемого
подхода состоит еще и в том, что применяются различные способы модуляции
электрических полей, реализующие селективное воздействие на слои
гетероструктуры. Радиочастотное (РЧ) электрическое поле, модулирующее
отражение, создается как в геометрии плоского конденсатора, в который
помещается исследуемая структура, так и путем пропускания переменного тока
вдоль слоя двумерных электронов. В последнем случае измеряемый отклик
непосредственно связан с проводимостью электронов. Для проведения
количественного анализа спектров требуется значительное уменьшение
интенсивности зондирующего света, что позволяет избавиться от искажения
внутренних полей за счет фотоиндуцированных носителей заряда.
Эксперимент
Для исследования спектров ЭО была разработана установка, схематически
показанная на рис. 1. Исследуемый образец помещается между пластинами
плоского конденсатора. Нижняя пластина (
) сплошная, а
верхняя (
,
) имеет два
гребенчатых электрода, расположенных на тонкой кварцевой пластине и разделенных
зазором. К пластинам прикладывается переменное напряжение радиочастотного (РЧ)
диапазона (с частотой 
МГц), модулированное по амплитуде: 
. Амплитуда напряжения порядка 
В, а частота модуляции 
Гц. Период гребенки 100 мкм.
|
|
|
|
|
Рис. 1. Схема расположения гетероструктуры, электродов для тока, гребенчатого конденсатора, плоского электрода и оптических волокон для зондирующего света |
Используются два варианта включения электродов:
1. Продольная
конфигурация поля, при которой напряжение прикладывается между гребенчатыми электродами
и .
2. Поперечная
конфигурация, при которой напряжение прикладывается между соединенными электродами
и и нижней пластиной .
При исследованиях спектров отражения зондирующий луч света подводился к
образцу с помощью световода 
, а отраженный свет принимался световодом 
.
Интегральная по спектру интенсивность зондирующего света изменялась в диапазоне
Вт/см2. Измерения проводились методом
синхронного детектирования на частоте модуляции 
. Использование РЧ поля позволяло вводить его в образец без помощи
контактов и достигать высокой чувствительности. Кроме того, полосковая
конфигурация электродов дает возможность использовать сверхвысокие частоты и
исследовать вклад быстрых электронных процессов в формирование оптического
отклика.
Спектры электроотражения
Спектр ЭО в РЧ поле [для краткости – спектр РМО (радиочастотное
модуляционное отражение)] при поперечной конфигурации поля измерялся на
образцах со структурой, показанной на рис. 1. Результаты приведены на
рис. 2. Достаточно сложный вид спектра в области энергий 
вблизи ширины
запрещенной зоны 
указывает на
вовлеченность нескольких процессов модуляции диэлектрической проницаемости образца,
происходящей на глубине формирования оптического отражения. Эта глубина порядка
обратного коэффициента поглощения света при 
, которая для 
составляет 
мкм, т.е. сравнима с толщиной буферного слоя , который составлял 
мкм.
|
|
|
Рис. 2. Спектр РМО для гетероструктуры |
Таким образом, регистрируемый сигнал РМО обусловлен изменением низкочастотной (НЧ) составляющей внутреннего электрического поля во всех частях гетероструктуры под действием РЧ поля [1]. Мы установили, что наблюдаемые спектры определяются в основном двумя следующими процессами:
1. Осцилляции
в спектре при 
эВ обусловлены эффектом Франца-Келдыша в области
сильного поля в буферном слое 
и в защитном
'cap'-слое .
2. Резкие
линии при 
связаны с экситонным
эффектом в буферном слое . Электронно-дырочное кулоновское взаимодействие, как
известно [2,3], вносит вклад в диэлектрическую проницаемость. Изменение этого
вклада под действием электрического поля приводит к резким особенностям в
модуляционных спектрах, которые наблюдаются при достаточно малом (по сравнению
с полем экситона 
, где 
– экситонный радиус)
поле. Поле 
В/см и, следовательно, такой экситонный эффект может
быть обусловлен только той частью буферного слоя , в котором поле невелико, т.е. вдали от области сильного
поля и вблизи к сверхрешетке, отделяющей буферный слой от подложки.
Наблюдаемый спектр вблизи
края поглощения может быть достаточно
хорошо описан, если предположить, что оптическое отражение гетероструктуры в
наблюдаемой спектральной области определяется тремя слоями (см. рис. 1):
(1) - защитный слой ;
(2) - область сильного поля в буферном слое , в котором локализуется двумерный электронный газ (2 МЭГ);
(3) - область буферного слоя со слабым полем, где модуляция диэлектрической функции связана с экситонными состояниями.
Встроенные электрические поля в этих слоях считаются однородными.
Отклик РМО от слоистой структуры рассчитывался согласно теории Аспнеса [4].
Учитывалась модуляция диэлектрической функции за счет эффекта Франца-Келдыша в
слоях (1) и (3). Вклады от защитного слоя и области сильного поля в -буфере рассчитывались с учетом вкладов легких и тяжелых
дырок. Вклад экситонных состояний в буферном слое рассчитывался в соответствии
с теорией Тангуе [2,3], причем учитывалась модуляция только основного и первого
возбужденного экситонных состояний.
На рис. 2 приведены спектры отражения, рассчитанные согласно этой многослойной модели гетероструктуры [5]. Как видно на рисунке, модельные спектры хорошо согласуются с экспериментальными.
Таким образом, наблюдаемые спектры имеют ясную физическую природу и допускают количественное описание в рамках достаточно простой физической модели.
Спектры электроотражения, индуцированного током
Для выяснения того, какие области спектра отражения связаны с электронами
проводимости в квантовой яме, были исследованы спектры отражения при
пропускании переменного тока вдоль гетероструктуры. Ток оказывает селективное
воздействие на электроны, разогрев которых приводит к модуляции электрического
поля в смежных слоях, что и должно проявляться в спектрах отражения [6,7].
Измерения проводились на структурах, отличающихся от приведенной на рис. 1
наличием дополнительного слоя сверхрешетки, который расположен на расстоянии 
от основной
гетерограницы. Амплитуда электрического поля, порождающего переменный ток, не
превышала 100 В/см, сила тока 
мА. Спектры отражения, модулированного током, для этого
образца представлены на рис. 3.
|
|
|
Рис. 3. Сравнение экспериментально измеренного спектра РМО от гетероструктуры со сверхрешеткой в буферном слое GaAs со спектром отражения, модулированного током (МОТ) |
Для сравнения приведено два спектра. Один (обозначенный РМО) получен при
воздействии РЧ поля в поперечной конфигурации. РЧ поле эффективно модулирует
состояния в квантовых ямах сверхрешетки в буферном слое . Это приводит к возникновению особенностей в спектре РМО в
области энергий 1,55 эВ в отличие от спектра РМО на рис. 2. Другой
(обозначенный МОТ) получен в режиме пропускания переменного тока при отсутствии
РЧ поля. Как видно, спектры сильно различаются. На спектре МОТ отсутствуют особенности,
обусловленные экситонными состояниями в буферном слое , которые ярко проявляются в спектре РМО. Однако возникает
узкий пик вблизи запрещенной зоны . И, наконец, осцилляции в области энергий края поглощения 
(
эВ), обусловленные эффектом Франца-Келдыша в сильно
легированном слое , имеют более сложную структуру, явно указывающую на
неоднородность встроенного поля в этом слое.
Таким образом, основные изменения в спектре отражения при пропускании тока происходят в тех его областях, которые обусловлены проводящими слоями структуры.
Список литературы
1. Рябушкин О.А., Сабликов В.А. // Письма в ЖЭТФ. 1998. Т. 67. № 23. С. 233.
2. Tanguy
3. Tanguy
4. Aspnes D.A. Modulation spectroscopy Electric field effects on the dielectric function of semiconductors. Handbook on Semiconductors, V. 2. Volume editor M. Balkansky, Optical Properties of Solids. (North-Holland Publishing Company, 1980).
5. Ryabushkin 0.A., Sablikov V.A.
Proceedings of the ICO-NO'98. XVI International Conference on Coherent and
Nonlinear Optics,
6. Рябушкин О.А., Лонская Е.И. IV Российская конференция по физике полупроводников “Полупроводники-99”. 1999. 25-29 октября: Тез. докл. С. 68.
7. Рябушкин О.А., Лонская Е.И. Международная конференция молодых ученых и специалистов “Оптика-99”. 1999. Санкт-Петербург, 19-20 октября: Тез. докл. С. 45.
8. Рябушкин О.А., Сабликов В.А., Поволоцкий M.С., Лонская Е.И., Волков А.О. Спектроскопия электроотражения полупроводниковых гетероструктур при воздействии радиочастотным полем и током // Материалы совещания “Нанофотоника” (20-23 марта 2000 г, Нижний Новгород). М. Институт физики микроструктур РАН, 2000. С. 258-261.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке
РФФИ (грант 00-02-16655)
| Наверх |