Исследование методом спектроскопии фотоотражения спектра электронно - дырочных состояний полупроводниковых гетороструктур с квантовыми ямами

Введение
Гетероструктуры с квантовыми ямами на основе InxGa1−xAs представляют собой основу современных приборов электроники. Квантовые ямы InxGa1−xAs в составе гетероструктур используют в качестве каналов полевых транзисторов, областей формирования излучения в светодиодах и лазерах [1], используемых в средствах волоконнооптической связи [2, стр. 7]. Основная особенность такого рода структур – проявление эффектов размерного квантования электронов и дырок в области квантовой ямы [2, стр. 19-24]. Недостаток гетероструктур типа InxGa1−xAs/GaAs заключается в существующих в них механических напряжениях, обусловленных различием постоянных решеток InGaAs и GaAs.Решение этой проблемы оказалось возможным с применением четвертных растворов, таких как InxGa1−xAs1−yPy. В структурах такого рода возможно практически независимое изменение ширины запрещенной зоны и ширины кантовой ямы за счет изменения мольных долей x (In) и y (P) [3]. Для бесконтактной неразрушающей диагностики энергетического спектра электронов и дырок в квантовых ямах полупроводниковых гетероструктур используют методы люминесценции [4], возбуждения люминесценции [4], спектроскопии поглощения [5], а также, методы модуляционной спектроскопии [6]. Преимущество последних методов заключается в их сравнительно высокой чувствительности к особенностям зонной структуры. Недостатки - трудная интерпретация спектров. В данной работе приведены результаты исследования серии гетероструктур с квантовыми ямами различной глубины на основе соединений InGaAs/InGaAsP. Метод исследования - спектроскопии фотоотражения. Измерены спектры фотоотражения. Произведена идентификация компонент спектров фотоотражения, выделена группа линий, соответствующая межзонным переходам в области квантовой ямы InGaAs. По энергетическому спектру наблюдаемых межзонных переходов сделано заключение о глубинах квантовых ям. Предложена методика оценки скачка потенциала на гетерогранице по данным фотоотражения и результатам моделирования энергетического спектра квантовой ямы в рамках модели огибающей волновой функции. Оценены скачок потенциала на гетерогранице InxGa1−xAs/InGaAsP и мольная доля индия в соединении InxGa1−xAs.

2 Полупроводниковые структуры на основе InGaAsP/InGaAs и методика исследования энергетического спектра электронов и дырок в них
2.1 Гетероструктуры

Возможность управления типом проводимости полупроводника с помощью легирования различными примесями и идея инжекции неравновесных носителей заряда были тем началом, из которого выросла полупроводниковая электроника. Гетероструктуры дают возможность решить значительно более общую проблему управления фундаментальными параметрами в полупроводниковых кристаллах и приборах, такими как ширина запрещенной зоны, эффективная масса носителей и их подвижность, показатель преломления, энергетический спектр электронов и дырок и т.д. [1]. Полупроводниковая гетероструктура – структура, представляющая собой контакт двух различных по химическому составу полупроводников. Отличие гетеропереходов, например Ge –GaAs, от обычного p-n перехода заключается в том, что в обычных pn переходах используется полупроводник одного и того-же сорта, например, p-Si –nSi [2, стр. 8]. В конце двадцатого начале двадцать первого века полупроводниковые гетероструктуры оказались в фокусе исследований многих ученых, занимающихся физикой полупроводников и полупроводниковой электроникой. В 1956, 2000, 2009, 2014 годах были присуждены нобелевские премии за открытия в области физики полупроводников. В настоящее время основные исследования в области физики полупроводников ведутся с тройными соединениями, при этом становится ясно, что для увеличения точности управления фундаментальными параметрами требуется более сложное соединение - четвертное [1]. В отличие от тройных соединений, четвертные позволяют практически независимо управлять постоянной решетки и шириной запрещенной зоны. Это делает возможным изготовление так называемых решеточно-согласованных четвертных растворов AxB1−xC1−yDy с наперед заданной шириной запрещенной зоны [1] . Несмотря на все плюсы четвертных соединений, они не лишены недостатков, таких как: трудность изготовления слоев необходимой степени однородности, недостаточная изученость фундаментальных характеристик таких материалов.