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APLICACION DE LA FOTORREFLECTANCIA AL ESTUDIO DE ESFUERZOS, DISTRIBUCIONES DE CAMPOS ELECTRICOS Y EFECTOS DE ESTADOS ELECTRONICOS EN HETEROESTRUCTURAS SEMICONDUCTORAS DE ZnSe/GaAs/GaAs Martha Elena Constantino, B. Salazar-Hernández Centro de Investigaciones en Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería, Universidad Autónoma del Estado de Morelos. Av. Universidad 1001, Col. Chamilpa, C. P. 62210, Cuernavaca, Mor. e-mail: [email protected], [email protected] RESUMEN Se estudiaron diferentes regiones de heteroestructuras de ZnSe/GaAs/GaAs con capas de ZnSe de diferentes espesores mediante la técnica óptica de Fotorreflectancia. De los espectros obtenidos se lograron identificar las propiedades de las diversas intercaras usando componentes de la señal en fase y fuera de fase, mediciones a bajas temperaturas y dos laseres de bombeo de diferente longitud de onda. Se analizan las propiedades ópticas alrededor del E0 tanto de GaAs como de ZnSe y los campos eléctricos en las intercaras en función de la temperatura. 1. INTRODUCCIÓN Las técnicas de espectroscopía de modulación tales como la fotorreflectancia (FR), son métodos poderosos para investigar campos superficiales, calidades de intercaras y superficies, concentración de portadores, efectos de impurezas, composiciones de aleaciones, niveles profundos y otras diferentes propiedades de películas delgadas y heteroestructuras semiconductoras [1]. La FR se efectúa al modular el campo eléctrico a través de la fotoinyección de pares electrón-hueco con un haz láser incidente cortado periódicamente. La forma de línea del espectro modulado se relaciona directamente a la función dieléctrica compleja perturbada y puede ajustarse usando la función de Aspnes en el límite de campo eléctrico bajo [2]: R/R= Re[Aei(E – E0 + i) -m] (1) donde A es la amplitud, es el ángulo de fase, E es la energía del fotón incidente, E 0 es la energía de la banda prohibida, y m es un parámetro que depende del tipo de punto crítico y del orden de la derivada. Para estados no ligados, el cambio en la función dieléctrica inducido por el campo modulante es de tercera derivada y m = 2.5, 3, 3.5 para puntos críticos tridimensionales, bidimensionales y unidimensionales, respectivamente. Si existe un campo eléctrico y no está dentro del límite de campo bajo, el análisis del espectro de FR se basa en el llamado límite de campo moderado [3]. Bajo este límite, el espectro exhíbe una serie de oscilaciones, llamadas oscilaciones Franz-Keldysh [3] (OFK), sobre el lado de alta energía de la banda prohibida indicando que la forma de línea de FR es sensible a la magnitud del campo eléctrico. El período de estas oscilaciones está relacionado directamente al campo eléctrico interno del material [3,4]. La energía de los extremos asociados a estas oscilaciones pueden ajustarse usando el modelo asintótico de Franz-Keldysh [3] y permite determinar el campo eléctrico a través de la ecuación: Ej = ħFj + E0 j = 1,2,3,…. (2) donde el índice j se refiere al j-ésimo extremo, Ej es la energía en el punto máximo (mínimo) de la OFK, F j = [3/2 (j-1/2)] 2/3, y ħ es la energía electro-óptica definida como ħ = (e2ħ2 F2 / 8*)1/3. * es la masa efectiva reducida en la dirección del campo eléctrico, E 0 es la energía de la banda prohibida del material y F es la magnitud del campo eléctrico. Para calcular el campo eléctrico se usa un ajuste por regresión lineal de la gráfica de energías de los extremos de las OFK contra el índice j en la ec. (2). En este trabajo se hace una revisión de los estudios de FR que hemos realizado en el rango de temperaturas de 10 a 300 K sobre una serie de estructuras de ZnSe/GaAs/GaAs con capas de ZnSe de varios espesores [5-8]. Los resultados comprenden estudios sobre las propiedades ópticas alrededor del E0 tanto de GaAs como de ZnSe. Los espectros de FR de GaAs, obtenidos desde el lado de ZnSe, presentan dos transiciones cerca del borde de la banda de GaAs y fueron identificados en espectros a temperatura ambiente bajo las siguientes condiciones. Primero, se obtuvieron espectros diferentes para la misma muestra empleando un láser de He-Ne o de He-Cd. La diferencia en los espectros de FR es ocasionada por la diferencia en la profundidad de penetración de los haces de excitación. Segundo, seleccionando apropiadamente la fase de referencia, se suprime una de las características del espectro y se extrae la otra componente contribuyente. Tercero, las mediciones de FR realizadas a temperaturas menores a 220 K muestran la presencia de OFK, revelando la existencia de dos campos eléctricos internos que se originan en regiones diferentes del GaAs. Por otra parte, los espectros de FR de ZnSe también exhiben OFK. La magnitud del campo eléctrico en la intercara ZnSe/GaAs, del lado de ZnSe, varían entre 10 y 50 kV cm -1 y disminuyen en función de la temperatura. Se observa que el campo eléctrico depende del espesor de la capa de ZnSe y esta dependencia se asocia a la presencia de estados adicionales introducidos por dislocaciones de desajuste que se forman al relajar el esfuerzo presente en la heteroestructura debido al desacople de red entre el ZnSe y el GaAs. 2. DETALLES EXPERIMENTALES Los espectros de FR se obtuvieron en un sistema espectroscópico descrito en reportes previos [5-8]. Todas las mediciones fueron repetidas en varias temperaturas diferentes. Se seleccionaron los rangos espectroscópicos de los barridos de FR para cubrir ambas regiones de los bordes de las bandas de energía del GaAs y ZnSe. 3. RESULTADOS Y DISCUSION La figura 1 muestra en líneas sólidas los espectros de FR obtenidos con un láser He-Ne a temperatura ambiente en la región del E0 del GaAs, tomados desde el lado del ZnSe. Estos espectros presentan una estructura doble y una estructura ancha de baja energía atribuida a niveles de impureza. Debido a la corta longitud de penetración del láser (0.2 m) los portadores fotoexcitados se generan solo en la región del GaAs más cercana a la heterointercara, pero podrían estarse difundiendo hasta regiones más profundas. En la misma figura se presentan en líneas segmentadas los espectros de FR para las mismas muestras obtenidos con un láser de He-Cd. Las formas de línea de estos espectros son casi los mismos que las registradas con el láser He-Ne, excepto que la estructura 1 casi desaparece completamente cuando el espesor de la capa de ZnSe se incrementa (muestras con 0.3 y 0.6 m de espesor). Se conoce muy bien que en este caso la luz modulante es absorbida fuertemente cerca de la superficie de ZnSe (la profundidad de penetración del láser de He-Cd en ZnSe es de 400 Å). En este caso, la modulación del campo eléctrico del GaAs cerca de la heterointercara no ocurre directamente sino que se debe a la difusión de fotoportadores por campos eléctricos. Para la muestra con capa de ZnSe más gruesa solo se aprecia la transición 2, la de mayor energía. Por lo tanto, el pico 2 se debe originar en una región cercana a la heterointercara, mientras que de la ausencia del pico 1 en los espectros de las muestras con capas más gruesas se infiere que esta señal se origina en regiones más profundas del GaAs. Es importante mencionar que la transición 1 aparece en una posición de energía que coincide con el E0 de GaAs en bulto, mientras que la transición 2 aparece desplazada hacia el azul en 15 meV. Este resultado implica la existencia de un esfuerzo compresivo en la región del GaAs adyacente a la heterointercara, la cual produce esta señal de más alta energía. Con el fin de comprender más el origen de estas transiciones se realizaron mediciones con la técnica de separación de fase. En la figura 2 se muestran espectros de FR en fase (líneas sólidas) y fuera de fase (líneas segmentadas) obtenidas para el mismo conjunto de muestras y usando el láser de He-Ne. Se puede 2 observar que en las mediciones fuera de fase se suprime la transición de más alta energía en todos los espectros. Esto proporciona evidencia adicional de la existencia de dos regiones de GaAs, separadas espacialmente, que producen las dos transiciones diferentes. Debido a que el ZnSe es transparente al láser de He-Ne , no se espera en este experimento ninguna dependencia del espesor. Figura 1. Espectros de FR en la región del E0 del GaAs obtenidos con laseres diferentes. Figura 2. Espectros de FR en la región del E0 del GaAs obtenidos en fase y fuera de fase. TABLA I. Los campos eléctricos asociados al GaAs y al ZnSe a diferentes temperaturas. Temperatura (K) 300 200 160 100 70 Fint (C08) (KV/cm) en GaAs (transición 1) ---1.40 0.81 0.54 ---- Fint (C08) (KV/cm) en GaAs (transición 2) ---3.60 3.50 3.00 ---- Fint (C08) (KV/cm) en ZnSe Fint (C60) (KV/cm) en ZnSe ------12.73 12.0 9.7 50.3 45.0 41.5 14.2 11.6 La figura 3 muestra espectros de FR de la muestra C08,con una capa de ZnSe de 0.08 m de espesor, obtenidos a diferentes temperaturas. Se observa que los espectros obtenidos a temperaturas 220 K presentan oscilaciones características de las OFK en la región por encima de la banda prohibida del GaAs. Estas oscilaciones empiezan en la transición 1 pero también existen para la transición 2. Del análisis mediante el modelo asintótico de Franz-Keldysh, se deduce que las formas de línea complejas en estas temperaturas se deben a la superposición de dos estructuras de OFK que se originan en dos regiones diferentes. Las OFK para la transición 1 se traslapan con las OFK de la transición 2, como se puede mostrar por el hombro debajo de esta última transición en 200 K y temperaturas más bajas. En la inserción de la figura 3 se muestran los ajustes de mínimos cuadrados a la ecuación 2 para ambas transiciones. Los valores de los campos eléctricos obtenidos de las pendientes de las líneas rectas en la inserción se presentan en la tabla I, columnas 2 y 3. La naturaleza de las oscilaciones observadas, esto es OFK, se corrobora a través de las buenas correlaciones lineales obtenidas. Los resultados indican que los campos existentes son muy diferentes en magnitud en la intercara substrato/capa colchón de GaAs de aquellos existentes en la heterointercara. La figura 4 muestra los espectros de FR en la región del borde de la banda de energía del ZnSe (2.68 eV) para todas las muestras utilizadas en este estudio. Se puede observar que la forma de línea cambia en función del espesor de la capa. Este cambio se asocia a efectos de interferencia entre las ondas reflejadas en la intercara de ZnSe/GaAs y la superficie frontal. 3 Wavelength (Å) 6000 5500 5000 4500 PR from ZnSe at ZnSe/GaAs (300 K) 4000 E0(ZnSe) E0+E0(ZnSe) PR amplitude (a.u.) C60 C30 C12 C08 E1(GaAs) 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 E1+1(GaAs) 3.2 3.4 Energy (eV) Figura 3. Espectros de FR en la región del E0 del GaAs obtenidos a temperaturas diferentes. Figura 4. Espectros de FR en la región del E0 del ZnSe obtenidos a temperatura ambiente. Las características espectrales para las muestras C30 y C60 están desplazadas a energías más bajas con respecto a las de las otras muestras C08 y C12 a consecuencia de que la capa de ZnSe de las primeras muestras están menos tensadas que las películas pseudomórficas de las otras muestras. El desplazamiento de la banda prohibida a más altas energías está relacionado al efecto del esfuerzo compresivo en la capa heteroepitaxial. Para las muestras C30 y C60, se observan oscilaciones en los espectros sobre el lado de alta energía del E0 de ZnSe. Esta característica que aparece entre 2.7 y 2.8 eV, se asocia a OFK que se originan por el campo eléctrico existente en la capa superior de dichas muestras que por lo tanto no están en el límite de campo bajo. En los espectros de las películas pseudomórficas solo se observan estructuras asociadas a la transición banda-banda fundamental. Para estas películas, los espectros se ajustan usando la teoría de Aspnes Los ajustes se muestran en la figura como símbolos abiertos. En la Fint tabla II se incluyen las brechas energéticas a 300 K para ZnSe. Los E0 (eV) Muestra Espesor espectros para las muestras C30 y C60, son analizadas con el KV/cm) (Å) modelo asintótico de Franz-Keldysh que nos proporciona las brechas energéticas y los campos eléctricos internos cuyos valores 800 2.702 ---C08 son incluidos también en la tabla II. Tabla II. Banda de energía prohibida para el ZnSe, E0, y campos eléctricos internos (Fint) en 300 °K para las muestras estudiadas en este trabajo. C12 1200 2.704 ---- C30 3000 2.683 50.0 C60 6000 2.680 50.3 Para obtener mayor información sobre los cambios adicionales en los espectros de FR de las muestras C08 y C60, se realizaron mediciones a bajas temperaturas (70 a 300 K) . Dichos resultados son mostrados en la figura 5. El E0 de ZnSe se desplaza a energías superiores con la disminución de la temperatura. Se observan OFK que se van ensanchando cuando la temperatura se incrementa. Es importante mencionar que se observa que las OFK se amortiguan muy rápidamente lo que indica la presencia de un campo eléctrico interno no uniforme. También debe notarse que la luz modulante del láser de He-Cd es fuertemente absorbida cerca de la superficie de ZnSe y generará pares electrón-hueco en el lado de ZnSe. Los campos eléctricos en las intercaras acelerarán los fotoportadores generados de forma tal que un número significativo de ellos pueda alcanzar la intercara y modular el combamiento de las bandas. En este trabajo, se atribuye el origen del campo eléctrico medido a la intercara de ZnSe ya que ha quedado demostrado, que para pequeñas modulaciones, las OFK observadas miden el campo eléctrico máximo en la estructura y no el campo promedio. En las inserciones de la figura 5 se muestran los ajustes de mínimos cuadrados a la ecuación 2. De 4 este ajuste se obtienen la brecha energética del ZnSe, E0, y la pendiente ħ. De la pendiente de la línea de mejor ajuste se calcula la magnitud del campo eléctrico que se presenta en la tabla I, columnas 4 y 5, como función de la temperatura. El comportamiento como una función de la temperatura es una consecuencia de los cambios en la concentración de electrones de la epicapa. Se observa que en el espectro de FR para la muestra C08, las señales de OFK y E0 se ensanchan debido a la dispersión de portadores por vibraciones de la red excitadas térmicamente en altas temperaturas (>160 K). Las OFK disminuyen gradualmente en intensidad al aumentar la temperatura. Debido a este ensanchamiento, ya no se aprecian por arriba de 160 K. Se observa claramente que el campo eléctrico asociado con la muestra C60 es más alto que para la muestra C08. Es importante destacar que la única diferencia entre ambas muestras es la presencia de dislocaciones en la muestra más gruesa, que está parcialmente relajada ya que su espesor supera el espesor crítico, 0.17 m para heteroestructuras de ZnSe/GaAs, en el cual se libera todo el esfuerzo mediante la nucleación de dislocaciones de desajuste. Las dislocaciones podrían estar introduciendo estados profundos, que pueden aceptar electrones y cargarse negativamente. Los electrones atrapados en la intercara disminuirían la carga positiva en ella e incrementar el combamiento de las bandas en el lado del ZnSe. El campo eléctrico interno disminuye debido al efecto fotovoltaico en bajas temperaturas, debido a que los portadores no son excitados térmicamente hacia fuera de las trampas. Wavelength(Å) 4900 4800 4700 4600 4500 4400 2.85 2.84 70 K 100 K Energy, Ej (eV) 2.83 2.82 70 K 2.81 160 K 2.80 PR Amplitude (a.u.) 2.79 2.78 2.77 2.76 100 K 0 2 4 6 8 10 12 14 Fj 160 K 200 K PR from ZnSe at ZnSe/GaAs/GaAs 0.08 µm 220 K 300 K 2.50 2.55 2.60 2.65 2.70 2.75 2.80 2.85 Energy (eV) Figura 5. Evolución con la temperatura de los espectros de FR en la región del E0 de ZnSe para las muestras C08 y C60 con capas de ZnSe de 0.08 y 0.60 m, respectivamente. Inserciones: ajustes lineales de las OFK para algunas temperaturas. BIBLIOGRAFÍA 1. 2. 3. 4. 5. Pollak F H, 2001 Surf. Interface Anal. 31 938. Aspnes D E, 1973 Surf. Sci. 37 418. Aspnes D E, Studna A A, 1973 Phys. Rev. B 7 4605. Shen H, Dutta M, Fotiadis L, Newman P G, Moerkirk R P, Chang W H, Sacks R N, 1990 Appl. Phys. Lett. 57 2115 Constantino M E, Navarro-Contreras H, Salazar-Hernández B, Vidal M A, Hernández-Calderón I, López-López M, 1999 J. Appl. Phys. 86 425. 6. Constantino M E, Navarro-Contreras H, Vidal M A, Salazar-Hernández B, Lastras-Martínez A, Hernández-Calderón I, López-López M, 1999 J. Phys. D: Appl. Phys. 32 1293. 7. Constantino M E, Navarro-Contreras H, Vidal M A, Salazar-Hernández B, Lastras-Martínez A, Hernández-Calderón I, López-López M, 1999 Appl. Surface Sci. 151 271. 8. Constantino M E, Salazar-Hernández B, 2004 J. Phys. D: Appl. Phys. 37 93. 5