Книги по разным тема Pages     | 1| 2| Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 3 Фазочувствительный анализ спектров фотоотражений n-GaAs й А.В. ГанжаЖ, В. КирхерЖ, Р.В. КузьменкоЖ, Й. ШрайберЖ, Ш. ХильдебрандтЖ Воронежский государственный университет, 394000 Воронеж, Россия Ж Fachbereich Physik der MartinЦLutherЦUniversitt HalleЦWittenberg, D-06108 Halle (Saale), Германия (Получена 8 января 1997 г. Принята к печати 9 сентября 1997 г.) При помощи двухканальной фазочувствительной усилительной техники была исследована фазовая зависимость спектров фотоотражения на E0 переходах для различных образцов GaAs. В результате анализа формы спектров были выделены их спектральные составляющие и установлены их фазы. Для наблюдавшихся однокомпонентных и многокомпонентных спектров фотоотражения были получены временные постоянные, описывающие динамику сигнала фотоотражения. Временная зависимость сигнала фотоотражения R/Rj exp(-t/j) была связана с замедленной реакцией электрического поля в области поверхности или границы раздела полупроводника на фотомодуляцию

Фотоотражение (ФО) Ч чувствительный, неразру- образом:p>

шающий, бесконтактный оптический метод для изучеR R 2 ния свойств поверхности и границы раздела различных (E, Fs(, ) = (E, Fs) 2 полупроводниковых материалов и полупроводниковых R R (1 +2 ) структур. Получение содержащейся в спектрах ФО ин(1 -i ), (2) формации происходит в общем случае посредством анализа различных спектральных компонент, составляющих где E Ч энергия фотонов, Fs Ч напряженность элекспектр. Как правило, предполагается, что ответ отражетрического поля, а = 2 f Ч частота модуляции. Из ния на оптическую модуляцию происходит мгновенно

временной зависимости R(t) следует фазовая задержка Этому противоречат, однако, многие экспериментальные сигнала ФО по отношению к фазе модулирующего света

результаты [1Ц4], указывающие на фазовую задержку Фазочувствительный усилитель (ФЧУ) определяет амсигнала фотоотражения по отношению к оптической плитуду первой компоненты Фурье входного сигнала при модуляции

опорной частоте и предустановке фазы. С помощью Модуляция отражения при ФО осуществляется подвухканального ФЧУ определяются или компоненты сигсредством периодического освещения поверхности иснала в фазе к опорной частоте (X) и сдвинутая на следуемого объекта дополнительным оптическим источ90 компонента (Y ), или амплитуда r(e) и фаза (e) ником, как правило лазером, свет которого проходит модулированного переменного сигнала по отношению к через механический прерыватель с частотой f

модулирующему сигналу (рис. 1):p>

Сигнал фотоотражения обладает временной зависимостью R(t), которая в наиболее простом случае, при пря- R (E) =r(E)ei(E) =x(E) +iy(E). (3) моугольной модуляции, описывается экспоненциальной R функцией с единственной характеристической временФаза сигнала определяется на рис. 1 как угол между ной постоянной фазой рассеянного модулирующего света и сигналом ФО. Отрицательное значение угла означает, что между R0 +R- R e-t, модуляцией и ответом осуществует временная задержка

1+e-T /R(t) = (1) R -t+T/На рисунке изображена также фазовая предустановка, R + e, практический смысл которой будет разъяснен в экспери1+e-T /ментальной части

где t Ч время, а T = 1/ f Ч период модуляции. Первый На рис. 2 приведено параметрическое представление член описывает ход сигнала отражения R под действием выходного сигнала двухканального ФЧУ Y(E) от X(E) лазерного возбуждения, а второй Ч при отсутствии для двухкомпонентного спектра. Основываясь на разпоследнего

работанном пакете программ для моделирования и неИспользование двухканального фазочувствительного линейной подгонки экспериментальных спектров, были усилителя, т. е. усилителя на выход которого поступает проведены расчеты двух типичных спектральных форм комплексный сигнал, состоящий из сигнала, находящего- ФО. Рассмотрим спектр (см. правую верхнюю часть ся в фазе с модуляцией, и второй мнимой составляющей, рис. 2, компонента 1), типичной для ФО в низкополевом смещенной относительно него на 90, приводит к тому, случае или экситонных переходов [5]. Фаза этого спектра что спектр фотоотражения при учете временной зависи- запаздывает по отношению к лазерной модуляции на мости сигнала отражения R(t), описывается следующим угол 1. Для одной из точек этого спектра в левой Фазочувствительный анализ спектров фотоотражений n-GaAs верхней части рис. 2 дано векторное представление сигнала ФО. Множество всех точек спектра X(E = h), Y (E = h) должно представлять из себя таким образом прямую, составляющую с осью X (последняя по определению совпадает с фазой модуляционного лазерного света) угол 1. Полностью аналогичный результат ожидается для всех спектров ФО, состоящих только из одной спектральной компоненты, временная зависимость которой определяется единственной временной постоянной

Таким образом, для данного представления, называемого фазовой диаграммой, для tg верно:p>

y(E) Im(1 - i ) tg = = = -. (4) x(E) Re(1 - i ) Ясно, что для единственной спектральной компоненты и постоянной частоты модуляции величина остается постоянной (при этом энергия фотонов E, а значит, и R/E(E) остается единственной переменной величиной), что позволяет из фазового положения спектра ФО и частоты определить характеристическую временную Рис. 2. Фазовые диаграммы спектров ФО. С помощью постоянную процесса модуляции

симуляции двухкомпонентного спектра ФО для каналов X и В случае, когда = 0, реальная часть сигнала Y ФЧУ показано влияние состава сигнала ФО на вид фазовой ФО (X) имеет максимальную величину и синхронна с диаграмы

модуляцией ( = 0), что возможно как для = 0, так и для минимальной модуляционной частоты ( 0)

В другом предельном случае, когда =, величина сигнала ФО становится исчезающе малой, в то время как Для демонстрации поведения многокомпонентных фазовое запаздывание (угол ) достигает -/2. Фазовая спектров была модулирована вторая спектральная комлиния лежит, таким образом, полностью в четвертом понента (в правом верхнем углу на рис. 2, компонента 2), квадранте. Поскольку значения амплитуды ФО могут характерной чертой которой являются так называемые принимать как положительные, так и отрицательные осцилляции ФранцаЦКелдыша (ФКО) [6]. Угол фазового значения, значения фазы (E) могут лежать и во втором запаздывания этой компоненты по отношению к лазерквадранте, при этом, однако, сохраняется соотношение ной модуляции составляет 2

0 -/2

Каждая спектральная точка двухкомпонентного спектра, представляющего из себя суперпозицию компонент 1 и 2, определяется векторной суммой обоих спектральных вкладов (см. левую верхнюю часть рис. 2). Величина суммарного вектора и его фазовое положение зависят от спектральной формы, относительной амплитуды и временного запаздывания отдельных составляющих. Таким образом, для каждой из точек суперпозиционного спектра ожидаются векторы с различными фазами сигнала (E). Для фазовой диаграммы результирующего спектра будет получено представленное в левой нижней части рисунка параметрическое представление компонент X(E) и Y (E) (спектральный вид этих компонент для выходов X и Y, являющихся суперпозицией спектров из правой верхней части рис. 2, представлен в правой нижней четверти того же рисунка) с энергией фотонов в качестве параметра

В то время как фазовые диаграммы однокомпонетных Рис. 1. Фазовое положение сигнала ФО (показано жирной спектров предсталяют собой прямые, лежащие во II и стрелкой) по отношению к модулирующему свету. Показана IV квадрантах, при наложении по меньшей мере двух измеряемая на ФЧУ фаза сигнала в отсутствие (система кооркомпонент возможны любые фазы сигнала (E)

динат x, y) и при наличии (система координат x, y ) фазовой В случае, когда спектр состоит из n-го числа компопредустановки. Истинное значение угла фазовой задержки определяется для = 0. нент ФО, формула (2), описывающая форму спектра, 2 Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 274 А.В. Ганжа, В. Кирхер, Р.В. Кузьменко, Й. Шрайбер, Ш. Хильдебрандт Фазовые задержки и характеристические временные постоянные спектральных компонент фотоотражения в области перехода EGaAs, поверхность GaAs-подложка, обработана в n-GaAs/n+-GaAs естественно окислена Компонента ФО ZrOCl2 8H2O + O2 ( f = 2500 Гц) ( f = 167 Гц) ( f = 2500 Гц) СП/ФКО, -4 -1 -, мкс 59.5 1.1 13. Экситон, - - -, мкс - - 12. Дефекты, - -18 - или примеси, мкс - 21 - НЭИО, - - -, мкс - - приобретает следующий вид: ответственны также емкостные эффекты в приповерхностной области, описываемые временной постоянной n R Rj = RC [2]

(E, Fs,, ) = (E, Fs) Границы области, в которой возможно измерение R R j=временных постоянных, определяются техническими характеристиками используемых приборов и составляют (1 -ij). (5) для нашей аппаратуры (1 +2j ) 30 мс >0.6мкс

Каждой из компонент ФО будет соответствовать собственное запаздывание фазы j и собственная временная Поскольку все зарегестрированные нами постоянные постоянная j лежат выше нижней границы 0.6 мкс, мы должны исключить влияние более быстрых процессов диффузии и yj(E) tg j = = -j, (6) дрейфа носителей заряда на временную постоянную

xj(E) Перейдем теперь к рассмотрению экспериментальных которые, однако, могут быть установлены только после результатов, полученных на образцах GaAs в области проведения полной процедуры подгонки формы спектра, перехода E0. Все исследования проводились на воздухе причем и для X, и для Y каналов ФЧУ. Корректность при комнатной температуре

подгонки будет устанавливаться в данном случае посред- На рис. 3 представлены результаты исследований фоством сравнения фазовых диаграмм экспериментального тоотражения на образце GaAs (n(Si) = 1 1016 см-3)

и модельного спектров. Перед измерениями на ФЧУ была проведена предуставНеобходимо также провести короткое рассмотрение новка фазы ( = 45), что привело к получению физических причин возникновения временной зависи- сравнимых амплитуд сигнала для компонент X(E) и мости R(t) и вытекающего из нее запаздывания фаз Y(E) (в отсутствии предустановки величина сигнала различных спектральных компонент ФО. Поскольку Y(E) становится сравнимой с уровнем шума)

наиболее частой причиной возникновения сигнала ФО Вид фазовой диаграммы (рис. 3, b) и совпадение подявляется оптическая модуляция электрических полей в гоночных параметров, использовавшихся для подгонки области объемного заряда на поверхности и(или) гра- компонент X(E) и Y(E) (рис. 3, a), подтверждают однонице раздела полупроводников, динамика перезарядки компонентый характер спектра ФО

электронных состояний в областях модуляции играет На рис. 4 представлен двухкомпонентный спектр ФО большую роль для наблюдаемых временных эффектов. в области перехода E0, полученный от образца GaAs При этом особое значение для возникновения фазового (n(Si) =1 1018 см-3). На первый взгляд без проведесмещения между оптической модуляцией и сигналом ния фазового анализа нельзя установить его многокомпоотражения имеют темп захвата, реэмиссии и реком- нентый характер. Однако путем введения предустановки бинации фотогенерируемых носителей заряда на этих = 89 в компоненте X(E) удалось подавить один из состояниях [2,7,8]. двух спектральных вкладов (среднеполевую компоненту) Поскольку модуляция электрических полей на поверх- так, что стало возможным выделение другого вкланости и границе раздела сопровождается изменением да (примесной структуры) в его чистой спектральной изгиба зон и глубины области объемного заряда, за форме (рис. 4, a, верхний спектр). Данная процедура появление фазовой задержки сигнала ФО могут быть приводит в дальнейшем к значительному упрощению Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Фазочувствительный анализ спектров фотоотражений n-GaAs анализа спектра ФО. Явное отклонение от прямой в ( = -1). Величина фазовой задержки второй компосоответствующей экспериментальной фазовой диаграм- ненты определяется с помощью полученных в результате ме (см. рис. 4, b) также подверждает многокомпонентный анализа формы компонент X(E) и Y (E) эксперименхарактер представленного спектра. тального спектра и построенной с их помощью фазовой В результате анализа формы спектра был выделен диаграммы. Каждой из компонент соответствует своя лисреднеполевой вклад (рис. 4, a, штриховая линия). Фазо- нейная фазовая диаграмма. Фазовые углы спектральных вое запаздывание данной компоненты может быть легко составляющих показаны на вставке (рис. 4, b) с помощью определено из предустановочной измерительной фазы соответствующих фазовых векторов

Рис. 3. a Ч экспериментальные спектры ФО в области EРис. 4. a Ч экспериментальные спектры ФО (сплошные перехода, снятые на образце n-GaAs. Представлены спектры линии), полученные для каналов X и Y от образца n-GaAs. Для ФО, полученные для каналов X и Y ФЧУ (сплошные ли- спектра Y, приведенные выделенные в результате спектральнии), а также их подгонки (штриховые). Параметры подгонок ного анализа среднеполевая (штриховая линия) и примесная (E0 = 1.412 эВ, F = 3.44 106 В/м, =12 мэВ) совпадают (точечная) компоненты ФО. Разность E между опредедля обоих каналов. b Ч экспериментальная фазовая диаграмма ленной из подгонки структуры СП/ФКО энергией перехода спектров ФО, представленных на рис. 3, a, с предустановкой E0 = 1.423 эВ и энергетическим положением пика второй = 45. Форма фазовой диаграмы и совпадение параметров, стуктуры Ei составляет 17 мэВ. b Ч экспериментальная использовавшихся для подгонки спектров X(E) и Y (E), под- фазовая диаграмма спектров ФО, представленных на рис. 4, a, тверждают однокомпонентный характер сигнала ФО. Фазовый при предустановке = 89. Форма фазовой диаграмы угол спектра показан на вставке с помощью соответствующего указывает на сложный характер сигнала ФО. Фазовые уголы фазового вектора

спектральных составляющих показаны на вставке с помощью соответстувущих фазовых векторов

2 Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 276 А.В. Ганжа, В. Кирхер, Р.В. Кузьменко, Й. Шрайбер, Ш. Хильдебрандт В качестве третьего примера многокомпонентных структур, выбран спектр ФО, полученный на гомоэпитаксиальном образце n-GaAs/n+-GaAs (n(Si) = 1 1016 см-3/n+(Si) =1 1018 см-3, рис. 5Ц7). Экспериментальная фазовая диаграмма, построенная из представленных на рис. 5 спектров X(E) и Y(E), имеет весьма сложную структуру (см. рис. 7), из чего можно сделать вывод о многокомпонентном характере спектра

Очевидно, что полученная от данного гомоэпитаксиального образца структура ФО состоит более чем из двух компонент. Фазовый анализ указывает на три энергетических области, в каждой из которых доминирует своя спектральная компонента. В отличие от рассматривавшегося выше примера экспериментальное выделение каждого из спектральных вкладов ФО не является возможным и осуществимо только с помощью полного математико-теоретического анализа

Pages     | 1| 2|    Книги по разным тема