Автореферат докторской диссертации (Оптическая спектроскопия колебательных и электронных состояний полупроводниковых наноструктур кремния и асенида галлия)

На правах рукописиАвакянц Лев ПавловичОПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ИЭЛЕКТРОННЫХ СОСТОЯНИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХНАНОСТРУКТУР КРЕМНИЯ И АРСЕНИДА ГАЛЛИЯСпециальность 01.04.05 - оптикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква - 2010Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В.Ломоносова.Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессордоктор физико-математических наук,профессордоктор физико-математических наук,профессорБункин Николай Федорович,Институт общей физики имени А.М.

ПрохороваРоссийской академии наук;Маврин Борис Николаевич,Институт спектроскопииРоссийской академии наук;Пенин Александр Николаевич,Московский государственный университетимени М.В. Ломоносова, физический факультет;Ведущая организация:Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН.Защита состоится 16 июня 2010 года в 15 часов на заседании совета по защитедокторских и кандидатских диссертаций Д 501.001.45 при Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: Россия, 119991, Москва, Ленинские горы,дом 1, строение 5 (19 корпус НИИ ядерной физики МГУ), аудитория 2-15.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке НИИ ядерной физики имениД.В.

Скобельцына МГУ имени М.В.Ломоносова.Автореферат разослан 14 мая 2010 года.Ученый секретарь совета по защитедокторских и кандидатских диссертаций Д 501.001.45кандидат физико-математических наук2О.М. ВохникОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность.Полупроводниковые структуры на основе кремния и арсенида галлия являютсяосновными элементами современной опто - и микроэлектроники. Изменение оптическихсвойств этих материалов при локализации фононов и свободных носителей в области размеромL порядка нескольких нм, представляет интерес как с фундаментальной, так и с прикладнойточек зрения. Имеется важное различие между квантово-размерными эффектами (при которыхволновой вектор частицы дискретен) и размерными эффектами, обусловленными локализациейвследствие рассеяния на дефектах и примесях (в этом случае затухание волны приводит кнепрерывному распределению волнового вектора с шириной ~1/L).Размерные эффекты могут быть существенны при модификации характеристикматериалов с помощью различных технологических воздействий: ионной имплантации,отжигов различного типа, легирования и т.д.

Такие воздействия, как правило, приводят кразупорядочению кристаллической решетки в приповерхностном слое. Причем, типсформировавшейся структуры во многом определяет электрофизические характеристикиматериала.Актуальность исследования такого рода структур оптическими методами обусловленатем,чтоосновныетенденциисовременнойэлектроникинаправленынасозданиеполупроводниковых приборов с размерами порядка нескольких нанометров (в том числе иинтегрированных в микросхемы), диагностика которых традиционными методами (например,эффект Холла) оказывается затруднительной.Закономерности изменения спектра комбинационного рассеяния (КР) вследствиеразупорядочения были впервые получены Шукером и Гаммоном [Shuker R., Gammon R.

Ramanscattering selection-rule breaking and the density of states in amorphous materials. // Phys. Rev.B.1970. V.25, N 4. P.222-225.], которые предположили, что различие между кристаллическим иаморфнымсостояниемвеществасостоитвпротяженностиобластисуществованияпространственных корреляций. Несмотря на то, что разупорядоченные полупроводниковыеструктуры исследовались оптико-спектроскопическими методами, в частности, методом КР[Бродский М.Х. Комбинационное рассеяние света в аморфных полупроводниках. // Рассеяниесвета в твердых телах./ Под ред. М.

Кардоны. М., "Мир", 1979. Гл.5, С. 239-289.] ряд задач ещетребует своего решения. В частности, для выбора технологических режимов, обеспечивающихоптимальную активацию примеси, необходимо знание динамики процессов разупорядоченияпри имплантации и рекристаллизации при отжиге. Выявление особенностей КР, дающихинформацию о типе структуры и взаимодействии электронной и фононной подсистем в ионно3легированных кремнии и арсениде галлия, важно для диагностики электрофизическихпараметров легированных слоев.Особыый интерес представляют исследования особенностей КР на связанных фононплазмонных модах (СФПМ) в полярных полупроводниках. Анализ частоты, ширины и формылиний КР, обусловленных рассеянием на СФПМ, в принципе, позволяет получать информациюоб электрофизических свойствах легированного слоя (таких, как концентрация свободныхносителей и их подвижность).

Однако, несмотря на то, что КР на связанных фононплазмонных модах в n-GaAs широко исследовалось при низких температурах [Абстрейтер Г.,Кардона М., Пинчук А. Рассеяние света на возбуждениях свободных носителей вполупроводниках // Рассеяние света в твердых телах. Вып. 4. Под ред. М. Кардоны. М., "Мир",1979, С. 12-182], возможности метода для экспресс-анализа электрофизических параметровимплантированных слоев оставались не выясненными. Так, до настоящей работы не былосообщений о СФПМ в ионно-легированном GaAs n-типа. Кроме того имелись лишь единичныесообщения о наблюдении СФПМ в тройных соединениях на основе GaAs.Новый этап в развитии полупроводниковой опто- и микроэлектроники связан сприменением квантово-размерных гетероструктур, в том числе, дельта-легированныхнаноструктур, структур с квантовыми ямами и сверхрешёток.

Согласно теоретическимрасчетам, локализация электронов и фононов в таких структурах должна уменьшать электронфононное взаимодействие и тем самым приводить к повышению подвижности электронов.Последнее должно способствовать уменьшению пороговых токов и увеличению квантовоговыходаполупроводниковыхулучшениюсоотношенияизлучателей«сигнал/шум»(светодиоды,фотоприемников,полупроводниковыеростулазеры),быстродействиятакназываемых HEMT (high electron mobility transistor) - транзисторов.Исследования изменений оптических свойств полупроводниковых наноструктурвследствие квантово-размерных эффектов имеют фундаментальный характер и важны дляпонимания физики локализованных состояний.Исследованияполупроводниковыхструктурметодамифотолюминесценциииспектроскопии поглощения сопряжены, как правило, с использованием низкотемпературной(вплоть до жидкого гелия) техники.

Поэтому в последнее время все большую популярностьприобретают методы модуляционной спектроскопии, особенно, электро и фотоотражение(ФО). Метод спектроскопии фотоотражения позволяет бесконтактно определять величинывстроенных электрических полей и особенности их пространственного распределения вполупроводниковых структурах, давать оценки концентрации носителей. Этот метод особенноинтересен для исследования квантово-размерных эффектов в полупроводниковых структурах,4так как он позволяет определять энергии межзонных переходов даже при комнатнойтемпературе.Основной целью диссертационной работы является исследование оптических свойств спектров КР и ФО в имплантированных слоях и полупроводниковых наноструктурах кремнияи арсенида галлия и получение новых знаний об изменении этих свойств при локализацииколебательных и электронных состояний (квантово-размерных эффектов).В соответствии с поставленной целью в основные задачи диссертации входилиследующие фундаментальные исследования:Ø колебательногоспектракремнияиарсенидагаллия,приразупорядочениикристаллической структуры в результате ионной имплантации;Ø закономерностей изменения колебательного спектра, обусловленных размернымиэффектами и электрон-фононным взаимодействием при легировании кремния иарсенида галлия с помощью ионной имплантации и последующего теплового илазерного отжига,Ø особенностей неупругого рассеяния света на связанных фонон-плазмонных модах влегированных структурах арсенида галлия и тройных соединений на его основе,Ø спектра электронно-дырочных состояний в одиночных и туннельно-прозрачныхдвойных квантовых ямах GaAs/AlGaAs,Ø особенностей спектра электронно-дырочных состояний в квантовых ямах GaAs/AlGaAsс модулированным легированием барьеров и дельта-легированных наноструктурах наоснове GaAs.Для решения поставленных задач в работе были использованы оптические методыисследования, такие как спектроскопия комбинационного рассеяния (КР), а такжемодуляционная спектроскопия фотоотражения (ФО) и другие методы.Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:1.