Оа>Т (0001) и
Значительный интерес к исследованию электронных и структурных свойств полупроводниковых соединений на основе нитридов III группы обусловлен их большой практической значимостью [1, 2]. В последнее время нитриды III группы, а именно GaN, AIN, InN и их тройные соединения AlxGaixN и InxGaixN, широко применяются для создания оптоэлектронных приборов, работающих в спектральном диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного [3−5], различных электронных полупроводниковых устройств, работающих при высоких температурах, напряжениях, частотах [6, 7].
В настоящее время при переходе от микрок наноэлектронике важным направлением является создание AlGaN/GaN-гетеропереходных полевых транзисторов с затвором Шоттки (HFET) [8, 9]. Гетероструктуры.
AlGaN/GaN, InGaN/GaN являются наиболее перспективным объектом для создания мощных высокочастотных транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ) [10−14]. Применение таких транзисторов может существенно улучшить параметры усилителей, модуляторов и других современных электронных устройств.
Благодаря большой значимости для современного развития нанотехнологий, исследование электронных и структурных свойств поверхности, интерфейсов и наноразмерных объектов является одним из актуальных направлений физики поверхности полупроводников. Применение нанои гетероструктур на основе нитридов III группы для современных оптических и электронных устройств резко увеличивает роль поверхности и ее влияние на характеристики приборов. Повышенные требования к знанию электронных свойств поверхности, интерфейсов и нанообъектов определяет актуальность данных исследований.
Создание и исследование новых наноразмерных структур является важным как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. Наноразмерные объекты можно определить как системы, в которых, по крайней мере, одно измерение не превышает 100 нм. В настоящее время зарядовый аккумуляционный слой на свободной поверхности полупроводника является новым и актуальным объектом исследований. Аккумуляционный слой может сформироваться непосредственно вблизи поверхности полупроводника я-типа, когда приповерхностный изгиб1 зон соответствует обогащению, т. е. изгиб зон вниз/ При этом минимум зоны проводимости на поверхности Есвм располагается ниже уровня Ферми Ер, и образуется узкая потенциальная яма. При достаточно малой ширине приповерхностного потенциала происходит ограничение движения электронов в направлении нормали г к поверхности, т. е. наблюдается эффект размерного квантования в аккумуляционном слое, и электроны могут занимать несколько локальных квантовых уровней. Вдоль поверхности движение электронов не ограничено, и соответствующие компоненты энергии не квантуются. Такие электронные состояния являются вырожденным двумерным электронным газом (2БЕО).
Аккумуляционный слой был недавно обнаружен для чистых поверхностей и-1пАз (110), и-1пЫ и для ультратонких интерфейсов Сз/и-1пА8(110), Сз/и-1п8Ь (110). Следует отметить, что все эти материалы — узкозонные 1п-содержащие полупроводники.
В ФТИ им.' А. Ф. Иоффе РАН в нашей группе была начата работа по поиску способов формирования аккумуляционного слоя на поверхности широкозонного полупроводника и-Са1Ч (0001). Было обнаружено, что аккумуляционный слой может быть сформирован на границе раздела Сэ/и-СаМ. Таким образом, в настоящее время существует достаточно мало полупроводниковых материалов, на поверхности которых удалось наблюдать или искусственно создать аккумуляционный слой. Поэтому создание индуцированных аккумуляционных слоев на поверхности широкозонных полупроводников Ш-нитридов в ряду 1пОа! Ч, Са1Ч, АЮа1чГ с изменяющейся шириной запрещенной зоны является актуальной задачей.
Цель диссертационной работы. Целью работы является установление электронной структуры, определение процессов и закономерностей формирования границ раздела Сз//7-Оа]М (0001), Ва/и-Оа1М (0001),.
С8/я-1полОао.9К (0001) и Ва/и-А10лбСа0.84^0001) в диапазоне субмонослойных Сб и Ва покрытий, определение условий для целенаправленной модификации электронных свойств границ раздела и увеличения квантового выхода фотоэмиссии, поиск способов создания аккумуляционного слоя, определение механизмов формирования потенциальной ямы аккумуляционного слоя, а также определение условий для управления энергетическими параметрами аккумуляционного слоя. '.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1. Провести исследования по поиску собственных поверхностных состояний атомарно-чистых поверхностей я-Оа]Г (0001) и индуцированных адсорбцией поверхностных зон.
2. Исследовать и определить влияние субмонослойных покрытий Сэ или Ва на электронную структуру границ раздела Сз/"-1п0ЛОа0 91 М (0001), СБ/л-ОаЫ (0001), Ва/я-СаМ (0001) в условиях сверхвысокого вакуума о.
Р -10' Па с использованием метода пороговой фотоэмиссионной спектроскопии при возбуждении 5- и р-поляризованным светом (в ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН).
3. Исследовать и определить влияние субмонослойных покрытий Ва на электронную структуру границ раздела Ва/"-СаМ (0001) и Ва/л-А10лбСа0 84^0001) в условиях сверхвысокого вакуума Р ~10‘8 Па с использованием метода УФЭС.
4. Определить условия для целенаправленной модификации электронных свойств границ раздела и увеличения квантового выхода фотоэмиссии.
5. Установить способы создания аккумуляционного слоя, определить механизмы формирования потенциальной ямы аккумуляционного слоя для исследуемых границ раздела в диапазоне субмонослойных покрытий.
6. Определить условия для целенаправленного изменения изгиба зон, энергетических параметров аккумуляционного слоя и плотности состояний 2DEG.
7. Провести модификацию теории пороговой фотоэмиссии Урбаха для определения параметров аккумуляционного слоя.
Объекты и методы исследования. В настоящей работе впервые проведены исследования электронных свойств границ раздела Cs/w-In0 iGa0.9N (0001), Cs, Ba/"-GaN (0001) и Ba/w-Al0.i6Gao.84N (0001). Для разных систем использованы разные фотоэмиссионные методы: пороговая фотоэмиссионная спектроскопия при возбуждении поляризованным светом и ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия на синхротроне BESSY II, Германия. Граница раздела Ba/"-GaN (0001) исследована двумя методами.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 148 страницах, включая 65 рисунков. В списке цитированной литературы 87 наименований.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.
1. Установлено положение собственных поверхностных состояний ft-GaN (OOOl), расположенных при энергиях связи 2.9 эВ, 5.0 эВ и 6.9 эВ относительно края валентной зоны Еувм.
2. Обнаружены поверхностные зоны, индуцированные адсорбцией Cs и В а, на w-GaN (OOOl). Положение Cs-зон относительно Ер соответствует 0.35 эВ и 0.50 эВ. Положение Ва-зон, относительно Ер соответствует Oil эВ и 0.3 эВ.
3. Впервые наблюдалась «нетрадиционная» пороговая фотоэмиссия для границы раздела Cs/"-In0 iGao9N (0001) при возбуждении-поляризованным светом в области прозрачности InGaN. Установлено, что природа фотоэмиссии* связана с возбуждением электронов из 2DEG в аккумуляционном слое в зоне проводимости. Квантовый выход фотоэмиссии из аккумуляционного слоя достаточно высок и сравним с квантовым выходом для традиционного фотокатода Cs/GaAs.
4. Для всех исследуемых образцов п-1щ iGao9N (0001), п-А10 i6Ga0s4N (0001) и /?-GaN (0001) за счет адсорбции Cs или Ва в диапазоне субмонослойных покрытий установлено формирование аккумуляционного слоя независимо от структурного совершенства^ образца. В процессе формирования аккумуляционного слоя край зоны проводимости на поверхности меняет свою позицию от положения выше Ер до положения ниже Ер. .
5. Предложен способ целенаправленного изменения изгиба зон, энергетических параметров потенциальной ямы аккумуляционного слоя, плотности состояний 2DEG и квантового выхода фотоэмиссии, заключающийся в изменении степени субмонослойного покрытия Cs или Ва на поверхности /?-1по iGa0 9>Т (0001),-GaN (OOOl) и п-Alo leGao g4N (0001).
6. Для анализа спектров пороговой фотоэмиссии из аккумуляционного слоя модифицирована теория Урбаха для случая фотоэмиссии из лркальной поверхностной зоны. Установлено положение первого уровня размерного квантования в аккумуляционном слое, и рассчитан матричный элемент возбуждения фотоэмиссии.
7. Обнаружена осцилляционная структура в спектрах пороговой фотоэмиссии для интерфейса СвЛполСао^ при возбуждении в области прозрачности. Природа эффекта обусловлена интерференцией Фабри-Перо в плоскопараллельной пластине кЮаИ и наличием аккумуляционного слоя.
8. Установлено кардинальное уменьшение ширины спектра фотоэмиссии из валентной зоны чистых я-ОаЫ (0001) и «-А10лбОао.84^0001) от ~10 эВ до -1.5 эВ при Ва покрытии 0.6 МС. Природа эффекта связана с подавлением собственных поверхностных состояний подложки.
В заключении автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю доктору физ.-мат. наук Г алине Вадимовне Бенеманской.
Автор благодарит кандидата физ.-мат. наук Михаила Николаевича Лапушкина за плодотворное сотрудничество и помощь в работе.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА.
А1] Бенеманская, Г. В. Аккумуляционный зарядовый слой ультратонких интерфейсов Cs, Ba/w-GaN (0001): электронные и фотоэмиссионные свойства / Г. В. Бенеманская, М. Н. Лапушкин, С. Н. Тимошнев // ФТТ. — 2007. — Т. 49. — Вып. 4. — С. 613−617.
А2] Бенеманская, Г. В. Эффект самоорганизации наноструктур на поверхности w-GaN (OOOl) при адсорбции Cs и Ва / Г. В. Бенеманская, B.C. Вихнин, С. Н. Тимошнев // Письма^ЖЭТФ. — 2008. — Т. 87. — Вып. 2. — С. 119 123.
АЗ] Бенеманская, Г. В. Аккумуляционный нанослой — 2D электронный канал ультратонких интерфейсов CsA?-InGaN (0001) / Г. В. Бенеманская,.
B.Н. Жмерик, М. Н. Лапушкин, С. Н. Тимошнев // ФТТ. — 2009. — Т. 51. — Вып. 2.-С. 372−376.
А4] Бенеманская, Г. В. Аккумуляционный нанослой и поверхностные состояния ультратонких интерфейсов Cs, Ba/w-GaN / Г. В. Бенеманская,.
C.Н. Тимошнев, Г. Э. Франк-Каменецкая // Известия РАН. Серия физическая. — 2009. — Т. 73. — № 5. — С. 710−712.
А5] Benemanskaya, G.V. Surface states and accumulation nanolayer induced by Ba and Cs adsorption on the «-GaN (0001) surface / G.V. Benemanskaya, M.N. Lapushkin, S.N. Timoshnev // Surf. Sci. — 2009. Vol. 603. —1.16. — P. 2474−2478.
A6] Бенеманская, Г. В. Электронная структура границы раздела Ba/w-AlGaN (0001) и формирование вырожденного 2D электронного газа / Г. В. Бенеманская, В. Н. Жмерик, М. Н. Лапушкин, С. Н. Тимошнев // Письма ЖЭТФ. — 2010. — Т. 91. — Вып. 12. — С. 739−743.
А7] Вихнин, B.C. Модель формирования периодической сверхструктуры, индуцированной подвижными дефектами на поверхности полупроводника / B.C. Вихнин, Г. В. Бенеманская, С. Н. Тимошнев //.
Известия РАН. Серия физическая. -2010. — Т. 74. -№ 9. — С. 1377−1381.
А8] Бенеманская, Г. В. 20-вырожденный электронный газ на границах.
1 раздела Ba/rc-AlGaN и Ba/w-GaN / Г. В. Бенеманская, С. Н. Тимошнев,.
М.Н. Лапушкин, Г. Э. Франк-Каменецкая // Известия РАН. Серия.
1 физическая. -2011. — Т. 75. — № 5. — С. 2−5.
А9] Benemanskaya, G.V. Self-organizing chain-like nanostructures created by Cs and Ba adatoms on GaN (OOOl) «-type surface / G.V. Benemanskaya,.
G.E. Frank-Kamenetskaya, V.S. Vikhnin, S.N. Timoshnev // Proc. 14 Int. Symp. NANO-2006. — St. Petersburg, 2006. — P. 93−94.
A10] Бенеманская, Г. В. Электронные свойства и энергетические параметры 2D аккумуляционных слоев Cs, Ba//z-GaN (0001) интерфейсов / s Г. В. Бенеманская, М. Н. Лапушкин, С. Н. Тимошнев // 5-ая.
Всероссийская конференция &ldquo-Нитриды галлия, индия и алюминия структуры и приборы&rdquo-. Тезисы докладов. — Москва, 2007. — С. 153−154.
А11] Benemanskaya, G.V. Creation of accumulation layer on n-GaN and rc-InGaN surfaces / G.V. Benemanskaya, M.N. Lapushkin., S.N. Timoshnev // IVC17/ICSS13 and ICN+T2007. — Sweden, Stockholm, 2007. — P. SS01-' Or6.
1 [A 12] Бенеманская, Г. В.' Аккумуляционный нанослой и поверхностные состояния ультратонких интерфейсов Cs, Ba/w-GaN / Г. В. Бенеманская,.
С.Н. Тимошнев, Г. Э. Франк-Каменецкая // Международный симпозиум «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» Low Dimensional Systems (LDS). — Ростов-на Дону, 2008. — С. 59−61.
А13] Бенеманская, Г. В. Аккумуляционный нанослой ультратонких интерфейсов Cs, Ba/7?-InGaN / Г. В. Бенеманская, М. Н. Лапушкин,.
С.Н. Тимошнев, В. Н. Жмерик // 6-ая Всероссийская конференция &ldquo-Нитриды галлия, индия и алюминия&ldquo-. Тезисы докладов. — Санкт-Петербург, 2008. — С. 155−156.
А14] Timoshnev, S.N. Accumulation nanolayer on the ultrathin Cs, Ba/n-GaN interfaces / S.N. Timoshnev, G.V. Benemanskaya, M.N. Lapushkin // 25 Intern. Conf. ECOSS-25. — Liverpool, 2008. — P. 718−719.
A15] Тимошнев, C.H. Аккумуляционный нанослой ультратонких интерфейсов Cs, Ba/w-GaN / C.H. Тимошнев, Г. В. Бенеманская // X Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой оптои наноэлектронике. Тезисы докладов. — Санкт-Петербург, 2008. — С. 32.
А16] Тимошнев, C.H. 2D электронный канал — аккумуляционный слой на поверхности.
— GaN (OOOl) / C.H. Тимошнев // Международная Зимняя Школа по физике полупроводников. Тезисы докладов. — Санкт-ПетербургЗеленогорск, 2009. — С. 21−22.
А 17] Бенеманская, Г. В. Создание аккумуляционных нанослоев на поверхности tt-GaN (OOOl) и w-InGaN (0001) / Г. В. Бенеманская, С. В. Иванов, М. Н. Лапушкин, С. Н. Тимошнев, Н. М. Шмидт // XIII Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника». Тезисы докладов. -Нижний Новгород, 2009. — С. 125−126.
А 18] Бенеманская, Г. В. Аккумуляционный нанослой на поверхности я-InGaN при адсорбции Cs / Г. В. Бенеманская, С. Н. Тимошнев, Г. Э. Франк-Каменецкая // 4-ая Всероссийская конференция «Химия поверхности и нанотехнология». — Хилово, 2009. — С. 249−251.
А19] Бенеманская, Г. В. Фотоэмиссионная спектроскопия и-AlGaN и ультратонких интерфейсов Ba/rc-AlGaN при синхротронном возбуждении / Г. В. Бенеманская, М. Н. Лапушкин, С. Н. Тимошнев, В. Н. Жмерик // 7-ая Всероссийская конференция &ldquo-Нитриды галлия, индия и алюминия — структуры и приборы&rdquo-. — Москва, 2010. — С. 193.
А20] Бенеманская, Г. В. вырожденный 2D электронный газ на границах раздела Ba/rc-AlGaN и Ba/rc-GaN / Г. В. Бенеманская, С. Н. Тимошнев, М. Н. Лапушкин, Г. Э. Франк-Каменецкая // Международный симпозиум «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» Low Dimensional Systems (LDS-2). — Ростов-на-Дону, 2010. — С. 31−34.
4.3.
.
1. Установлено, что ширина спектра фотоэмиссии из валентной зоны исходных образцов 77-Оа1Г (0001) и /?-АЮа1Ч (0001) соответствует ~ 10 эВ. Достаточно большая ширина спектра фотоэмиссии из валентной зоны связана с наличием в этой области собственных поверхностных состояний.
2. Впервые методом УФЭС для /?-Са>Т (0001) обнаружено появление нового фотоэмиссионного пика в запрещенной зоне вблизи уровня Ферми, природа которого связана с созданием вырожденного двумерного электронного газа 20ЕС в аккумуляционном слое, индуцированном адсорбцией Ва.
3. Впервые для «-АЮаМ (0001') обнаружено появление нового.
— фотоэмиссионного пика в запрещенной зоне вблизи уровня Ферми, природа которого связана с созданием аккумуляционного слоя, индуцированного адсорбцией Ва.
4. Определено, что увеличение Ва покрытия до 0.6 МС приводит к резкому изменению положения края* валентной зоны Еувм относительно уровня Ферми от 2.9 эВ для чистой поверхности.
• /7-ОаЫ (0001) до 4.0 эВ, что свидетельствует об изгибе зон вниз и доказывает образование аккумуляционного слоя.
5. Определено, что увеличение Ва покрытия до 0.6 МС приводит к резкому изменению положения края валентной зоны Еувм относительно уровня Ферми от 3.2 эВ для чистой поверхности я-АЮаТГ (0001) до 4.1 эВ, что свидетельствует об изгибе зон вниз и доказывает образование аккумуляционного слоя.
6. Обнаружен новый эффект кардинального уменьшения ширины спектра фотоэмиссии из валентной зоны я-0а]4(0001) и я-АЮаН (0001) от ~ 10 эВ до ~ 1.5 эВ при Ва покрытии 0.6 МС. Природа эффекта связана с подавлением собственных поверхностных состояний ваМ или АЮаМ.
7. Установлено, что адсорбция Ва на поверхности и-Са]М (0001) позволяет определить положения собственных поверхностных состояний, которые соответствуют энергиям связи 2.9 эВ, 5.0 эВ и.
6.9 эВ относительно края валентной зоны Еувм.
8. Установлено, что адсорбция Ва на поверхности я-АЮаМ (0001) позволяет определить положения собственных поверхностных состояний, которые соответствуют энергиям связи 4.0 эВ, 5.7 эВ и 8.3 эВ относительно края валентной зоны Еувм.
9. Модификация спектра фотоэмиссии остовного уровня Ва 4 с! показывает появление дополнительных пиков у спин-расщепленных компонент, что свидетельствует о возникновении Ва-Ва взаимодействия в первом адсорбированном слое. Данный результат является дополнительным критерием оценки покрытия В а.
10. Обнаружено, что при покрытии Ва 0.3 МС на поверхности гс-0а!г (0001) интенсивность пика Оа 3<3 уменьшается в ~5 раз. При покрытии 0.2 МС на и-АЮаЫ (0001) интенсивность спадает в -2 раза, а при 0.3 МС интенсивность остовного уровня ва Ъс1 спадает в -15 раз.