УДК 538.958, 546.03

ИССЛЕДОВАНИЕ d - ЛЕГИРОВАННЫХ n-i-p-i-n СТРУКТУР GaAs МЕТОДОМ СПЕКТРОСКОПИИ ФОТООТРАЖЕНИЯ

Л. П. Авакянц¹, П. Ю. Боков¹, И. В. Бугаков¹, Т. П. Колмакова², А. В. Червяков¹

¹ физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, кафедра общей физики

 ² ОАО «Оптрон», Москва

 

Получена 15 января 2010 г.  

Аннотация. Методом спектроскопии фотоотражения исследованы полупроводниковые nipin-структуры арсенида галлия с дельта-легированными слоями p-типа. Из анализа осцилляций Франца-Келдыша определены напряженности встроенных электрических полей и энергии межзонных переходов структуры. Обнаружено увеличение энергии межзонного перехода в области дельта-легирования, что объясняется эффектом Бурштейна-Мосса вследствие фотогенерации носителей.
 

Ключевые слова: гетеоструктуры, фотоотражение, дельта-легирование. 
 

Введение

Полупроводниковые гетероструктуры, полученные путём чередования тонких полупроводниковых слоев, отличающихся по типу легирования, (pin-диоды и транзисторы, nipi-кристаллы) являются основой для создания целого ряда приборов СВЧ техники и оптоэлектроники. Наиболее распространенными материалами для этих приборов являются кремний и арсенид галлия. При этом в быстродействующих оптоэлектронных и СВЧ устройствах несомненными преимуществами, с точки зрения времени жизни неравновесных носителей тока и их подвижности, обладает арсенид галлия.

Особый интерес представляют структуры с дельта-легированными слоями [1]. В этих системах примесь локализована в слое толщиной несколько нм, что обеспечивает пространственное разделение носителей заряда и ионизированной примеси, и приводит к увеличению их подвижности. Зонную диаграмму таких структур можно формировать, задавая необходимые параметры в ходе эпитаксиального роста. Кроме того, потенциал объемного заряда, а, следовательно, и зонную структуру можно изменять путем электрического или оптического возбуждения дельта-слоя. Это делает дельта-легированные структуры интересными с точки зрения создания перестраиваемых (внешним потенциалом или излучением) оптоэлектронных приборов [1, 2, 3], в том числе, приборов терагерцевого диапазона [4].

В настоящей работе приводятся результаты исследований методом спектроскопии фотоотражения полупроводниковых дельта-легированных n-i-p-i-n структур на основе GaAs, применяемых для изготовления биполярных транзисторов.

 

Образцы и методика эксперимента

Исследуемые образцы выращивались методом газофазной эпитаксии. Рост происходил на полуизолирующих подложках GaAs типа АГП с ориентацией поверхности (100). Образцы представляли собой структуры типа n+-i-dp-i-n+.

На рис. 1 схематически изображена структура исследуемых образцов: они состояли из слоев GaAs n-типа, слоев GaAs с собственной проводимостью i-GaAs и области дельта-легирования, созданной внедрением примеси Be. Толщина области дельта легирования не превышала 20 нм. Толщина слоя GaAs с собственной проводимостью составила 400 нм, n+ областей -500 нм, n=5·10¹⁸ см^-3.

Исследуемые образцы имели технологические номера № 1205 и № 1206. Они отличались слоевой концентрацией легирующей примеси в области дельта-легирования: в образце № 1205 p=1.6·10¹² см^-2, в образце № 1206 p=2·10¹² см^-2.

Спектры фотоотражения регистрировались при комнатной температуре на установке [5], с использованием двойного монохроматора. Модуляция отражения осуществлялась He-Ne лазером (длина волны 632.8 нм, мощность 5 мВт) на частоте 370 Гц.

 

Результаты и обсуждение

 

На рис. 2 приведены спектры фотоотражения образца № 1206. В спектре, в области энергий от 1.4 – 1.7 эВ присутствуют осцилляции Франца-Келдыша двух различных периодов, и линия в области 1.8 эВ, связанная с переходом из зоны проводимости в спин-орбитально отщепленную подзону валентной зоны.

Разделение наблюдающихся в спектрах фотоотражения осцилляций Франца-Келдыша разных периодов производилось с помощью метода фазочувствительного анализа [6]. Для этого измерялись спектры фотоотражения с предустановкой фазы нановольтметра в 0 рад (рис.  2 снизу) и π/2 (рис. 2 посередине) и путем варьирования параметра φ_r в выражении (1) подбирался такой вид спектра (рис. 2 сверху), в котором возможно разделение осцилляций:

где  и  - спектры фотоотражения, зарегистрированные в фазе с модулирующим излучением и с отставанием от него на π/2, Е – энергия зондирующего излучения.

 

 В результате обработки экспериментальных данных в модели (1), получен спектр фотоотражения (рис. 2, верхний спектр), в котором видно разделение осцилляций Франца-Келдыша короткого и длинного периодов. Короткопериодные осцилляции расположены в области энергий в 1.4 - 1.5 эВ, длиннопериодные в области 1.5 - 1.7 эВ.

В работе [7] предложено простое приближение для описания среднеполевых спектров фотоотражения:

                 (2)

где  - энергия зондирующего излучения, E_g – энергия фундаментального перехода, d – размерность критической точки (в случае GaAs, для прямых межзонных переходов в центре зоны Бриллюэна d = 3 [7].), Г – феноменологический параметр уширения,  - электрооптическая энергия:

(3)

здесь m - приведенная межзонная эффективная масса:

 

          (4)

m_e^*, m_h^* - эффективные массы электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне, E_S – напряженность встроенного электрического поля, е – заряд электрона.

Как видно из (2), положения экстремумов осцилляций Франца-Келдыша  определяются соотношением:

 

, j=1, 2, 3    (5)

Где        

                   (6).

Зависимость  от F_j - есть прямая линия с наклоном  и точкой пересечения оси ординат, равной E_g.

 

На рис. 3 приведены полученные зависимости (5) для образца № 1206, с помощью которых были вычислены напряженности встроенного электрического поля и энергии межзонного перехода, эти же параметры вычислены из спектров фотоотражения образца № 1205 (см. таблицу 1).

Из таблицы видно, что области с большей напряженностью встроенного электрического поля, соответствует большая энергия межзонного перехода, что не может быть объяснено эффектом Франца-Келдыша, согласно которому увеличение напряженности электрического поля должно приводить к уменьшению энергии перехода. Для объяснения указанных особенностей рассмотрим диаграмму зонной структуры исследуемых образцов при воздействии на них модулирующего излучения (рис. 4).

 

Таблица 1. Напряженности встроенного электрического поля и энергии межзонных переходов для образцов №1205 и №1206

Номер образца	Напряженность встроенного электрического поля, кВ/см		Энергия межзонного перехода, эВ
	ОФК1	ОФК2	ОФК1	ОФК2
1206	17±1	90±5	1.41±0.02	1.47±0.02
1205	32±1	120±5	1.43±0.02	1.47±0.06

 

При фотогенерации носителей под действием лазерного излучения, в первую очередь происходит закачка электронов в зону проводимости из под уровня Ферми в области дельта-легирования.

В результате этого, в валентной зоне и зоне проводимости образуются квазиуровни Ферми, соответствующие неравновесному распределению носителей. Дальнейшая рекомбинация носителей происходит с уровня энергии, соответствующего положению квазиуровня Ферми для электронов, на уровень энергии, соответствующий квазиуровню Ферми для дырок.

Таким образом, в данной структуре наблюдается эффект аналогичный эффекту Бурштейна-Мосса: при переизлучении электроны из зоны проводимости могут попадать на образовавшиеся дырки в валентной зоне, в этом случае энергия перехода оказывается больше ширины запрещенной зоны GaAs (1.42 эВ при комнатной температуре [8]). Данный переход соответствует области дельта легирования, то есть области с большей напряженностью встроенного электрического поля.

 

Заключение
 

Методом спектроскопии фотоотражения исследованы полупроводниковые n-i-p-i-n структуры на основе арсенида галлия с дельта-легированными слоями p-типа, применяемые для изготовления биполярных транзисторов.

В спектрах фотоотражения исследуемых образцов обнаружено два типа осцилляций Франца-Келдыша, соответствующих двум областям встроенного электрического поля: в области дельта-легирования напряженность встроенного электрического поля составляет 119 кВ/см и 96 кВ/см, в области n-GaAs 32 кВ/см и 17 кВ/см для образцов № 1205 и 1206 соответственно.

Анализ осцилляций Франца-Келдыша показал, что области с большей напряженностью встроенного электрического поля соответствует межзонный переход с большей энергией. Это связано с тем, что в области дельта-легирования межзонный переход происходит между дном зоны проводимости и уровнем энергии, положение которого определяется квазиуровнем Ферми для дырок, возникающим в результате фотогенерации носителей.

 

Список литеpатуpы

1.     Херман М. Полупроводниковые сверхрешетки. М.:Мир. 1983.

2.     Sciana B., Sek G., Misiewicz J. Et al. // Materials science-Poland. 2008. 26. P. 71.

3.     Harris J.J. // J. Mat. Scie.: materials and electronics. 1993. 4. p. 93.

4.     Cechaviius B., Kavaliauskas J., Krivaite G. et al. // Physica status solidi (c) 2007. 204. p. 412.

5.     Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Червяков А.В. // ЖТФ 2005. 75. с. 66Kavaliauskas J.; Krivaite G. // Physica status solidi. 2008. 245 p. 82.

6.     Alperovich V.L.. Jaroshevich A.S., Scheibler H.E. et al. // Sol. St. Electr. 1994. 37. p. 657.

7.     Aspnes D.E., Shtudna A.A. // Phys Rev B. 1973. 7. p. 4605.

8.     Pavesi L., Guzzi M. // J. Appl. Phys. 1994. 75. p. 4779.