ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 4, с. 111-119
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.315.592
УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР ПО МАГНИТНЫМ КВАНТОВЫМ ЭФФЕКТАМ И СПЕКТРОСКОПИИ АДМИТТАНСА © 2014 г. А. А. Корнилович, В. Г. Литвинов, А. В. Ермачихин, Д. С. Кусакин
Рязанский государственный радиотехнический университет Россия, 390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1 E-mail: al.erm@mail.ru Поступила в редакцию 29.08.2013 г.
После доработки 08.10.2013 г.
Описана универсальная комбинированная установка, позволяющая исследовать магнитные квантовые эффекты в двух- и трехмерных полупроводниковых структурах при воздействии оптических и микроволновых излучений на образец в геометриях Фойгта и Фарадея, регистрировать производные коэффициентов пропускания и отражения мощности излучения при плавном изменении квантующего магнитного поля в широком диапазоне температур исследуемого образца. В установке применен гелиевый криостат Janis CCS-400/204N, вакуумная ячейка которого имеет два холодных съемных окна из CaF2, служащих для зондирующих инфракрасных излучений различной длины волны. Установка позволяет определять: концентрацию и g-фактор свободных носителей заряда в полупроводниковых структурах по периодам осцилляций Шубникова—де Гааза и по положению пиков кривых нелинейного спинового резонанса; подвижность и время релаксации импульса свободных носителей заряда — по кривым циклотронного резонанса с точностью 0.5—1%; профили концентрации свободных носителей заряда, параметры электрически активных электронных уровней, глубоких центров — методом спектроскопии адмиттанса.
DOI: 10.7868/S0032816214030185
ВВЕДЕНИЕ
Развитие новых технологий получения полупроводниковых структур потребовало разработки новых методов исследования и создания устройств для определения параметров структур без их разрушения. Разработка магнитооптических резонансных и осцилляционных методов определения фундаментальных и транспортных параметров полупроводниковых структур, основанных на квантовых эффектах в квантующих магнитных полях, требует широкого применения лазеров, источников сильного магнитного поля, охлаждения исследуемых образцов до гелиевых температур, создания высокочувствительных систем регистрации сигналов. Реализация новых методов нелинейной спектроскопии невозможна без использования самых современных технических средств.
В известных работах [1, 2] исследование нелинейного спинового резонанса (н.с.р.) в узкозонных вырожденных полупроводниках проводилось на установках [3, 4] методом вынужденного комбинационного рассеяния (в.к.р.-усиления) с применением двух лазеров, излучение которых направлялось на образец перпендикулярно магнитному полю (геометрия Фойгта). При воздействии на образец излучения одного лазера исследовался эффект Шубникова—де Гааза (Ш.д.Г.).
По положению пиков кривых н.с.р. определялись ^-фактор и эффективная масса электронов в 3Э-образцах я-1п8Ъ. По периодам оптических осцилляций Ш.д.Г. определялась концентрация электронов в и-1п8Ъ с точностью 0.5% [5]. Для определения концентрации электронов в двумерных слоях наноструктур ЛЮаЛз/ОаА разработан способ [6] и создана установка [7], реализованная в геометрии Фарадея (излучение направлено перпендикулярно активному слою и параллельно магнитному полю). Подробное описание разработанных методов приведено в [8].
В ранее разработанных методиках [4—6] определения параметров полупроводников применены различные устройства для создания магнитного поля и систем охлаждения образцов. Помещение образцов в жидкий гелий создавало рассеяние парами гелия излучений, направленных на образец. Устройства, выполненные в геометрии Фойгта, неприменимы для исследования тонкопленочных и двумерных структур.
При комплексном бесконтактном исследовании свойств двух- и трехмерных структур возникает необходимость на одном образце при одинаковых внешних условиях проводить измерения и определять параметры исследуемых структур различными методами. В данной работе описана универсальная комбинированная установка, в
Рис. 1. Блок-схема установки для определения параметров объемных и низкоразмерных полупроводниковых структур. 1 — призмы для перестройки частоты лазеров, 2 — полупрозрачные зеркала, 3 — лазеры на окиси углерода, 4 — стержни, 5 — фланцы резонатора, 6 — линзы для фокусировки излучения, 7 — образец, 8 — пластина для совмещения лучей лазеров, 9 — отражающие зеркала для направления излучения лазеров вдоль магнитного поля, 10 — электромагнит, 11 — магнитометр на основе датчика Холла, 12 — источник питания катушки плавной развертки магнитного поля, 13 — источник тока электромагнита, 14 — селективный усилитель с синхронным детектором, 15 — фотоприемники, 16 — монохроматор, 17 — компьютер, 18 — интерферометр, 19 — гелиевый криостат, 20 — модуляционная катушка, 21 — звуковой генератор, 22 — удвоитель частоты, 23 — источник питания магнитометра, 24 — пластинка в четверть длины волны, 25 — обтюратор, 26 — измеритель иммитанса (Agilent E4980A).
которой сохранены все возможности ранее созданных устройств, используются различные методы исследования магнитных квантовых эффектов и способы определения параметров исследуемых структур.
В установке образцы помещаются в вакуумную ячейку вне гелиевой ванны криостата. Этим устраняется рассеяние излучений парами гелия и созданы условия для регулировки и стабилизации температуры образца в широких пределах — от 7 до 500 К. Съемные окна вакуумной ячейки криостата позволяют направлять на образец излучения различной частоты в различных направлениях и выполнять эксперименты в геометриях Фойгта и Фарадея.
Целью работы является расширение функциональных возможностей ранее разработанных методов и устройств.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
На рис. 1 представлена блок-схема установки для определения параметров объемных и низкоразмерных полупроводниковых структур по эффектам Ш.д.Г. и н.с.р. Установка функционирует следующим образом. Исследуемый образец 7 помещен в вакуумную ячейку криостата на конец хладопровода гелиевого криостата 19 вместе с отражающими зеркалами 9 и модуляционной катушкой 20 и находится в магнитном поле электромагнита 10. Мощное излучение накачки лазера СО(1) поляризовано в плоскости рис. 1. Слабое тестовое
излучение лазера СО(2) поляризовано в плоскости, перпендикулярной плоскости рис. 1.
В случае использования геометрии Фарадея совмещенные излучения лазеров направляются на пластинку 24, где преобразуются в излучение круговой поляризации, фокусируются первой линзой 6, направляются на первое отражающее зеркало 9, проходят через образец 7, отражаются от второго зеркала 9, фокусируются второй линзой 6. В случае геометрии Фойгта совмещенное излучение лазеров смещается в центр образца, проходит мимо пластинки 24.
Мощное излучение накачки обрезается моно-хроматором 16, слабое тестовое излучение регистрируется фотоприемником 15. Сигнал с фотодетектора 15 подается на первый вход селективного усилителя с синхронным детектором 14. Модуляционная катушка 20 подключена к первому выходу генератора 21 звуковой частоты, второй выход которого соединен с входом удвоителя 22, выход которого соединен с опорным входом усилителя-синхронного детектора 14, информационный вход которого соединен с выходом селективного усилителя. Выход усилителя-синхронного детектора 14 соединен с входом У виртуального самописца, реализованного программными средствами компьютера 17, вход X которого соединен с выходом магнитометра 11, размещенного в рабочем объеме магнита 10.
Интерферометр Фабри—Перо 18 с фотоприемником 15 совместно с монохроматором 16 служат для определения частот излучений лазеров. Ин-варовые стержни 4 имеют низкий коэффициент
температурного расширения, равный 5 • 10-8 К-1. Это позволяет повысить стабильность частот лазеров 3. Германиевая пластина 8 устанавливается под углом Брюстера, равным 76°, к падающему тестовому излучению. Обтюратор 25 служит для модуляции интенсивностей лазеров.
Для дополнительного исследования профиля распределения концентрации свободных носителей заряда, параметров электрически активных электронных уровней, глубоких центров в полупроводниковых барьерных структурах контактными методами — методом спектроскопии ад-миттанса, вольт-фарадных характеристик используется измеритель иммитанса 26, управление которым осуществляется с помощью компьютера 77, в котором также производится запись и анализ полученных данных.
Установка также позволяет исследовать н.с.р. в узкозонных полупроводниках, по положениям пиков резонансных кривых находить значения магнитного поля и определять ^-фактор свободных носителей заряда, по периодам осцилляций Ш.д.Г. — концентрацию носителей заряда.
Для исследования тонкопленочных и низкоразмерных структур в вакуумную ячейку криостата вводится с.в.ч.-волновод. Микроволновое излучение направляется вдоль магнитного поля (геометрия Фарадея). Блок-схема установки для исследования квантовых эффектов методами с.в.ч. представлена на рис. 2.
С.в.ч.-генератор 7 на основе диода Ганна АА728Б с частотой излучения 37.8 ГГц возбуждает в серийном прямоугольном волноводе сечением 3.4 х 7.2 мм2 колебания Н10. С.в.ч.-волна через вентиль 2, аттенюатор 3 и ферритовый циркуля-тор 4 поступает на двойной Т-мост 5, где преобразуется в волну Н11 в цилиндрическом волноводе 06.1 мм. На конце волновода крепится образец 6, повернутый активным слоем к фронту падающей волны.
Магнитное поле В, создаваемое электромагнитом 70, медленно изменяется в пределах 0—1.8 Тл. Сильное В и слабое В~ магнитные поля направлены перпендикулярно исследуемому слою образца и параллельно направлению зондирующей с.в.ч.-волны (конфигурация Фарадея). Точность измерения индукции магнитного поля проверялась датчиком Холла, откалиброванным по ядерному магнитному резонансу прибором Ш-1, и составляла <0.1%.
Отраженная от образца с.в.ч.-волна по волноводу через Т-мост и циркулятор поступает на с.в.ч.-де-тектор 77 на основе диода Шоттки АА123А. После детектирования сигнал проходит через фильтр 72, настроенный на первую либо вторую гармонику модулирующей частоты Q. Усиленный сел
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.