WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 3 Связывание состояний электронов в молекуле квантовых точек InAs/GaAs © М.М. Соболев¶, А.Е. Жуков, А.П. Васильев, Е.С. Семенова, В.С. Михрин, Г.Э. Цырлин, Ю.Г. Мусихин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 21 июня 2005 г. Принята к печати 1 июля 2005 г.) Методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней (DLTS) исследована эмиссия электронов из состояний в системе вертикально-сопряженных квантовых точек InAs в p-n-гетероструктурах InAs/GaAs в зависимости от толщины прослойки GaAs между двумя слоями квантовых точек InAs и от величины напряжения обратного смещения. Установлено, что полупроводниковая гетероструктура InAs/GaAs с толщиной прослойки GaAs 100 проявляет себя как система несвязанных квантовых точек. Эти структуры имеют в спектрах DLTS два пика, которые определяются основным и возбужденным состояниями одиночной квантовой точки с уровнями энергии, проявляющими слабое смещение Штарка (1-2мэВ).

Для гетероструктуры InAs/GaAs с двумя слоями квантовых точек InAs, разделенных прослойкой GaAs толщиной 40, определено, что они находятся в фазе молекул. Гибридизация электронных состояний двух близко расположенных квантовых точек приводит к расщеплению уровней на связанные и антисвязанные, основные и возбужденные состояния электронов, 1s+, 1s-, 2p+, 2p-, 3d+, которые отображаются в спектрах DLTS в виде 5 пиков. Для этих квантовых состояний наблюдалось как сильное смещение Штарка уровней энергии (10-40 мэВ), так и пересечение (crossing) зависимостей энергий от величины электрического поля. Исследуемые структуры с вертикально-сопряженными квантовыми точками выращивались методом молекулярно-пучковой эпитаксии с использованием эффектов самоорганизации.

PACS: 73.21.Lc 1. Введение сопряженных квантовых точек (ВСКТ) InAs, разделенных барьерами GaAs толщиной несколько нанометров, В последние годы во многих лабораториях интен- было дано в работе [7]. Благодаря наличию упругих сивно проводятся исследования эффектов сопряжения напряжений вокруг КТ и эффекту самоорганизации, и гибридизации состояний электронов в полупровод- включающему в себя перенос In(Ga,As) от нижних никовых гетероструктурах с вертикально-сопряженными точек к верхним и заменой его на GaAs [6,7], лате(coupled) самоорганизующимися квантовыми точками. ральные размеры островков каждого последующего ряда Вертикально-сопряженные структуры являются перспек- постепенно увеличиваются и верхние островки распотивными при создании лазеров с квантовыми точка- лагаются над нижними. Полупроводниковые КТ (две и более), сопрягаемые подобным образом посредством ми [1], элементов оптической памяти [2] и для их кулоновского взаимодействия и квантово-механического возможного применения в качестве элементов квантотуннелирования, могут образовывать искусственные мовых компьютеров [3,4]. Наибольшие успехи при форлекулы. В теоретической работе [8] было показано, что мировании квантовых точек (КТ) были достигнуты при две КТ в зависимости от расстояния между ними могут применении метода самоорганизованного роста нанонаходиться в фазе либо атомных единичных квантовых структур, впервые описанного Странским и Крастаноточек, либо молекулы. При малом расстоянии между вым в работе [5]. Режим роста, названный их именами, КТ должно реализоваться условие сильной связи и пара возникает в гетероэпитаксиальной системе при наличии поведет себя как единичная квантовая точка. При больрассогласования по постоянной решетки между толшом расстоянии они поведут себя как несвязанные КТ.

стым осаждаемым слоем, имеющим большую упругую При промежуточном расстоянии они должны вести себя энергию, и подложкой. Уменьшение упругой энергии, уже как новый тип молекулы. При сопряжении квантопри определенных условиях роста, может привести вых точек должно происходить расщепление состояний к образованию изолированных когерентно-напряженных на связанные (bonding) и антисвязанные (antibonding), трехмерных островков, в которых носители заряда ограосновные и возбужденные квантовые состояния, котоничиваются по всем направлениям в пределах размерые в отсутствие электрического поля идентифицирура, меньшего чем длина волны де Бройля. Квантовое ются как 1s+, 1s-, 2p+, 2p-, 3d+ и т. д. (где +, ограничение приводит к дискретному спектру энергий определяют соответственно связанное и антисвязанное и -образной плотности состояний. Электронный спектр состояния) [3,4,8,9]. Основному состоянию такой ситаких изолированных островков, получивших наименостемы ВСКТ, как было показано в [10], являющемуся вание квантовых точек, оказывается подобным спектру расщепленным связанным состоянием 1s, должно быть одиночного атома [6]. Первое описание технологии полуприсуще красное смещение по энергии при наличии чения массивов, состоящих из двух и более вертикальноэлектрического поля. Подобного рода зависимости по¶ E-mail: m.sobolev@mail.ioffe.ru лучили наименование квантово-ограниченного эффекта Связывание состояний электронов в молекуле квантовых точек InAs/GaAs Штарка. Аналогичные зависимости от величины элек- Было предложено использовать при исследовании эмистрического поля должны наблюдаться и для других сии экситонов молекулы квантовых точек внешнее магсостояний ВСКТ. Кроме того, было установлено [10], что нитное поле. Использование магнитного поля должно для такой системы максимум спектра энергии основного приводить в случае квантово-механического сопряжения состояния будет при нулевом поле. В случае, когда КТ к антипересечению зависимостей энергий перехода латеральные размеры островков каждого последующе- экситонов от величины магнитного поля.

го ряда постепенно увеличиваются, максимум спек- В отличие от межзонной спектроскопии, метод нестационарной спектроскопии (DLTS) исследует не совместтра энергии основного состояния должен сместиться ное поведение электронов и дырок в полупроводниковых в сторону от нулевого значения электрического поля.

Все возбужденные состояния будут пересекающими- p-n-структурах, а раздельное [17–19]. Использование электрического поля в этом случае вследствие проявся (crossing) или антипересекающимися (anticrossing) с другими состояниями, что должно привести к пе- ления квантово-ограниченного эффекта Штарка должно приводить при квантово-механическом сопряжении кванреупорядочению состояний в сильном электрическом товых точек к пересечению зависимостей энергий уровполе. Из результатов теоретической работы [11] следует, ней электронов и дырок или к квазилинейной зависимочто образование связанных и антисвязанных состояний сти энергий уровней дырок от величины электрического может происходить лишь для электронных состояний поля [20–22]. Применение DLTS-метода для исследовамолекулы квантовых точек, для дырок валентной зоны ния эмиссии дырок квантовыми состояниями ВСКТ в должна происходить спонтанная локализация основных p-n-гетероструктурах InAs/GaAs в зависимости от толи возбужденных состояний внутри одной из КТ, которая щины прослойки GaAs между двумя слоями квантовых является результатом различия компонент деформации точек InAs, от числа слоев квантовых точек и от величидля электронов и дырок. Сопряжение КТ должно контроны напряжения обратного смещения (Ub < 0) позволило лироваться посредством изменения величины внешнего нам установить, что для вертикально-сопряженных КТ в электрического поля [10,11]. Для структуры с двумя гетероструктурах InAs/GaAs:

слоями ВСКТ должна быть квазилинейная зависимость — независимо от толщины прослойки GaAs между уровней дырок от величины электрического поля. Для двумя рядами КТ InAs реализуется эффект локализации структур с одиночными КТ эта зависимость — кваддырок в одной из КТ квантовой молекулы [22];

ратичная. Отличия в зависимостях уровней дырок для — увеличение числа рядов в структуре от 2 до одиночных КТ и ВСКТ связаны с трехмерным (3D) приводит к усилению сопряжения волновых функций КТ, распределением поля деформации [10,11].

способствуя образованию связанных и антисвязанных На возможность образования связанных и антисвясостояний дырок молекулы квантовых точек [20–21].

занных состояний для дырочных состояний молекул В данной статье приведены результаты наших вольтквантовых точек, в зависимости от расстояния между фарадных (C-V ) и DLTS-исследований гибридизации точками, было указано в работах [3,9,12]. Когерентная квантовых состояний электронов в гетероструктурах двухуровневая система может контролироваться с помоInAs/GaAs с двумя массивами ВСКТ в зависимости от щью коротких оптических импульсов [12] или приложентолщины прослойки GaAs между КТ InAs и от велиного к гетероструктуре электрического поля, приводя чины напряжения обратного смещения, приложенного к к изменению локализации дырок в молекуле квантовых структуре.

точек [11,13]. Такие исследования проводили, используя эффект резонансного туннелирования [14] и измерения микрофотолюминесценции [12,13]. В работах [12,13,15], 2. Образцы и методы исследования кроме того, исследовали усиление эффекта гибридизации электронных состояний двух квантовых точек в Исследуемые в работе гетероструктуры InAs/GaAs с зависимости от толщины барьера между ними. Авторами ВСКТ были получены методами молекулярно-пучковой работы [16] было обращено внимание на то обстоя- эпитаксии на подложках n+-GaAs с ориентацией (100).

тельство, что доказательства формирования молекулы, Массив КТ был сформирован в результате двукратного полученные посредством сравнения результатов иссле- осаждения 2 монослоев InAs, разделенных прослойкой дований различных образцов, могут оказаться недоста- GaAs толщиной dGaAs = 15, 40 и 100. ВСКТ были точными, что связывается с возможностью изменения помещены в середину слоя n0-GaAs толщиной 0.90 мкм, размеров КТ, состава при вариации толщины барьера который был легирован Si до концентрации 2 · 1016 см-3.

между КТ и упругих напряжений вокруг КТ. Авторы [16] Прослойка GaAs трех структур с различными толщиуказывают также, что при межзонной спектроскопии нами была также легированной. Еще одна из исслеисследуется совместное поведение электронов и дырок, дуемых структур с dGaAs = 40 специально не легииз которого затруднительно сделать заключение о рас- ровалась. Сверху слой n0-GaAs был покрыт p+-GaAs.

щеплении квантовых состояний электронов и дырок, DLTS-исследования глубоких ловушек в гетероструктупроисходящем в результате их туннелирования; возмож- рах производились с помощью спектрометра DLно, только электроны показывают туннельное сопряже- фирмы BIO-RAD, работающего в режиме двухстробного ние (coupling), а дырки оказываются локализованными в интегрирования. Для проведения DLTS-измерений на одной из КТ вследствие их большой эффективной массы. подложку n+-GaAs и слой p+-GaAs были термически 6 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 338 М.М. Соболев, А.Е. Жуков, А.П. Васильев, Е.С. Семенова, В.С. Михрин, Г.Э. Цырлин, Ю.Г. Мусихин осаждены омические контакты. Перед каждым DLTSизмерением образец изохронно отжигался в течение 1 мин при фиксированной температуре и при одном из условий: при приложенном (Uba < 0) или нулевом (Uba = 0) напряжении обратного смещения. После этого образец охлаждался до температуры T = 80 K при одном из условий Uba < 0, Uba = 0. Далее начинался процесс DLTS-измерений в темноте, если это не оговаривалось предварительно, или при освещении белым светом. Для определения профиля распределения носителей в гетероструктуре были проведены вольтфарадные измерения.

3. Результаты и обсуждение На рис. 1 представлены микрофотографии образцов с 2 слоями КТ InAs, разделенными прослойкой GaAs толщиной 15, 40 и 100, полученные методом просвечиРис. 2. Профили распределения эффективной концентрации электронов p-n-гетероструктур с 2 слоями КТ InAs в матрице GaAs с толщиной прослойки GaAs 100 (a) и 40 (b).

T = 80 K.

вающей электронной микроскопии. Как видно из рис. 1, a латеральные размеры верхних островков InAs увеличены по сравнению с размерами нижних островков. Для структуры с толщиной прослойки GaAs dGaAs = изменение верхних островков по отношению к нижним не превышало 15%, а для структуры с dGaAs = размеры верхних и нижних островков были близкими.

Были проведены измерения C-V -характеристик p-nгетероструктур InAs/GaAs с ВСКТ при температуре T = 80 K. Поведение емкости при варьировании напряжения смещения Ub для всех структур было типичным для локализованных состояний [20–22]. В профилях распределения концентрации свободных электронов n(Ub) всех структур, рассчитанных с использованием этих данных, при T = 80 K наблюдались пики, появление которых связывается с уходом носителей, аккумулированных на состояниях квантовых точек (рис. 2, a, b).

Рис. 1. Микрофотографии поперечного сечения образцов Для структуры с dGaAs = 40 наблюдался широкий пик, с 2 слоями КТ InAs и толщиной прослойки GaAs между ними:

представляющий собой суперпозицию двух узких пиков, a — 15, b — 40, c — 100. Изображения получены методом просвечивающей электронной микроскопии. для структуры с dGaAs = 100 — один узкий пик.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Связывание состояний электронов в молекуле квантовых точек InAs/GaAs в вертикальном направлении — верхние и нижние КТ имеют приблизительно равные латеральные размеры, т. е. для этого случая наблюдается два ряда изолированных КТ. Для структур с dGaAs = 100 наблюдаются два DLTS-пика: E1 и E2 (рис. 3, a). Для двух структур с легированной прослойкой толщиной dGaAs = 15 и мы наблюдали только два слабых пика на предельном для нашего спектрометра уровне чувствительности:

низкотемпературный и высокотемпературный. В то же время в спектрах структуры с нелегированной прослойкой GaAs толщиной dGaAs = 40 обнаруживалось пять хорошо измеряемых, имеющих большую амплитуду DLTS-пиков: E1, E2, E3, E4, E5 (рис. 3, b).

Для определения природы этих уровней были проведены исследования спектров DLTS в зависимости от условий предварительного изохронного отжига (Uba < или Uba = 0) и при оптической подсветке при тех значениях Ub, при которых наблюдались характерные изменения в поведении спектров [18–22]. DLTS-спектры практически не зависели от условий изохронного отжига, но изменялись при оптической подсветке (рис. 3, b, кривая 5): наблюдался рост величин DLTS-сигналов всех пиков. Мы уже ранее наблюдали эффект роста амплитуды пиков в DLTS-спектрах при оптической подсветке, который связывался с эмиссией носителей из состояний КТ [19,23,24].

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.