WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 5 Фотоэлектрическая спектроскопия гетероструктур с квантовыми точками InAs/GaAs в системе полупроводник/электролит ¶ © И.А. Карпович, А.П. Горшков, С.Б. Левичев, С.В. Морозов, Б.Н. Звонков, Д.О. Филатов Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603600 Нижний Новгород, Россия (Получена 18 июля 2000 г. Принята к печати 23 октября 2000 г.) Фотовольтаический эффект в переходе полупроводник/электролит является эффективным методом изучения энергетического спектра гетероструктур с самоорганизованными квантовыми точками InAs/GaAs.

Важным достоинством метода является высокая чувствительность, позволяющая получать фотоэлектрические спектры от квантовых точек с большими барьерами для эмиссии электронов и дырок из квантовых точек в матрицу и при низкой поверхностной плотности точек ( 109 см-2). В сильном поперечном электрическом поле наблюдается уширение линий оптических переходов в квантовых точках и эмиссия электронов и дырок из квантовых точек в матрицу непосредственно из возбужденных состояний. Обнаружен эффект смены знака фотоэдс при достаточно большом положительном смещении на барьере в полупроводнике, связанный с образованием положительного заряда на границе покровного слоя и электролита и отрицательного заряда на примесях и дефектах в слое квантовых точек.

1. Введение квантово-размерной структуры в конденсаторе с прижимными диэлектриком (пластинка слюды) и металФотоэлектрическая спектроскопия, основанная на ис- лическим электродом. Благодаря наличию обедненного следовании спектров фотовольтаического эффекта в слоя на естественной поверхности GaAs для наблюдебарьерах разного типа и фотопроводимости, расширя- ния КФЭ не требуется создавать в квантово-размерной ет арсенал оптических методов диагностики квантово- структуре искусственный барьер (барьер Шоттки или размерных структур [1–7]. Она позволяет определять p-n-переход). Однако этим методом обычно не удается энергетический спектр и некоторые другие характери- обнаруживать КТ при плотности 1010 см-2 [7].

стики квантовых объектов (квантовых ям, точек и др.) В данной работе изучалась возможность диагностипри низких уровнях фотовозбуждения, в широкой облаки ГКТ InAs/GaAs с помощью родственного КФЭ мести спектра, при комнатной температуре. Фотоэлектритода — измерения фотоэдс в переходе полупроводческие методы относительно мало чувствительны к типу ник/электролит (ФПЭ) с жидким электролитом. Этот зонной структуры материала (прямозонная, непрямозонметод широко использовался для исследования поверхная) и его дефектности, что при решении разных вопроностных свойств полупроводников [8]. В [4] он был сов может выступать как их достоинство или недостаток.

применен для исследования энергетического спектра Эффективность методов фотоэлектрической спектро- структур InGaP/GaAs с одиночными квантовыми ямами и скопии была показана главным образом при исследо- сверхрешетками, и было отмечено высокое разрешение вании гетероструктур с квантовыми ямами. Примене- спектров, полученных этим методом. Дальше мы покание методов к гетероструктурам с самоорганизованными жем, что достоинства этого метода и его преимущества квантовыми точками (ГКТ), в частности типа InAs/GaAs, в некоторых отношениях перед другими фотоэлектристалкивается с определенными трудностями, из-за кото- ческими методами особенно важны при исследовании рых они редко используются для диагностики этих струк- ГКТ. Они вполне компенсируют некоторые неудобства тур [7]. Одна из главных трудностей связана с меньшим, и ограничения, связанные с использованием жидкого чем у квантовых ям (КЯ), коэффициентом оптического электролита.

поглощения квантовых точек (КТ) при обычной поверхностной плотности КТ 1010 см-2, что затрудняет 2. Методика эксперимента выделение связанной с ними фоточувствительности на фоне примесной фоточувствительности структур. Другая Для создания электролитической ячейки к ГКТ, натрудность связана с большей, чем у КЯ, высотой понесенной на полуизолирующую или проводящую подтенциальных барьеров, которые ограничивают эмиссию ложку, плотно прижималось тефлоновое кольцо с внуэлектронов и дырок из КТ в матрицу, необходимую для тренним диаметром 5 мм и высотой 4 мм, которое вмевозникновения фотоэлектрических эффектов.

сте с образцом служило резервуаром для электролиОдним из наиболее удобных методов фотоэлектричета (рис. 1). В качестве электролита использовался ской диагностики квантово-размерных структур является 0.5 М раствор KCl в смеси с глицерином в соотношеметод спектроскопии конденсаторной фотоэдс (КФЭ) [6], нии 1 : 1. Электродом сравнения служила погруженная в в котором измеряется спектр поверхностной фотоэдс электролит Pt-проволока. Конструкция ячейки позволяла ¶ E-mail: get@phys.unn.runnet.ru освещать образец через электролит и через подложФотоэлектрическая спектроскопия гетероструктур с квантовыми точками InAs/GaAs в системе... барьера Шоттки в n-GaAs при высоте барьера 0.6эВ (принималось значение, определяемое пиннингом уровня Ферми на свободной поверхности). Это говорит о том, что при обратном смещении напряжение падает в основном на барьере обедненного слоя в полупроводниковом электроде. Стационарная фотоэдс в режиме разомкнутой цепи при монохроматическом освещении в области собственного поглощения GaAs (h = 1.5эВ) имеет величину 0.3 В. Это значение согласуется с ожидаемой величиной для указанной высоты барьера. Близкие значения были получены методом Кельвина на свободной поверхности GaAs [5].

Рис. 1. Схема электролитической ячейки для исследования При прямом смещении (ГКТ — катод) наблюдались спектров ФПЭ. 1 —образец ГКТ, 2 — тефлоновое кольцо, 3 — электролит, 4 — Pt-электрод, 5 — держатель образца. близкая к экспоненциальной зависимость тока от напряжения при малых напряжениях (рис. 2, кривая 1) ивыход на насыщение при достаточно большом напряжении. Однако показатель неидеальности ВАХ при аппроксимации ку. Последний вариант использовался в тех случаях, прямого тока выражением I exp(qV /mkT ) оказывается когда электролит обладал значительным поглощением очень большим (m 20), что, очевидно, обусловлено в исследуемой области спектра (при энергии фотонов значительным падением напряжения в электролите и на h <0.9эВ).

контакте Pt/электролит.

Фотоэлектрические спектры измерялись при модулиНа рис. 3 приведены фотоэлектрические спектры рованном освещении с частотой 800 Гц в малосигнальVph(h), полученные разными методами (фотопроводином режиме с синхронным детектированием сигнала.

мости, КФЭ и ФПЭ) на одной и той же легированИсследовались ГКТ GaAs/InAs, полученные методом ной Bi ГКТ, в которой поверхностная плотность КТ была газофазной эпитаксии при атмосферном давлении с исдостаточно высока ( 2 · 1010 см-2), чтобы провести пользованием металлорганических соединений Ga, In и измерения спектров всеми этими методами. Благодаря арсина (метод МОСГЭ). ГКТ выращивались на повысокой однородности КТ по размерам и химическому верхности GaAs (100) с разориентацией 3 в направлесоставу на всех спектрах хорошо разрешаются и совпании [110]. Буферный слой n-GaAs толщиной 0.8 мкм дают по энергии основной оптический переход (пик при выращивали при температуре 650C, затем температуэнергии h = 0.96 эВ) и расположенные почти эквидиру снижали до 530-510C и наносили слой КТ InAs.

стантно на расстоянии 80 мэВ от него переходы на Триметилиндий и арсин подавались в реактор раздельно первый и второй уровни возбуждения. Энергетические с интервалом 4 с в течение 6 и 2 с соответственно с положения пиков фоточувствительности хорошо соглачислом циклов до 10. При этом номинальная толщина суются со спектром фотолюминесценции JPL(h) КТ слоя InAs по оценке составляла 1.5 нм, т. е. около (кривая 6). В области прозрачности GaAs и электролита 5 монослоев. В процессе осаждения слой КТ легировался 0.9 < h < 1.35 эВ спектры ФПЭ при освещении висмутом, что позволяло получать более однородные по размерам КТ. Морфология и фотоэлектронные свойства легированных Bi ГКТ детально исследованы в [9]. Выращивались ГКТ без покровного слоя и с покровным слоем GaAs толщиной 15 нм.

3. Экспериментальные результаты и обсуждение 3.1. Общая характеристика метода ФПЭ Статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) I(V ) электролитической ячейки ГКТ/электролит/Pt (рис. 2) качественно подобны характеристикам полупроводникового фотодиода с барьером Шоттки или p-n-переходом. При обратном смещении на барьере в полупроводнике, соответствующем n-типу проводимости Рис. 2. Вольт-амперные характеристики перехода ГКТ/элекполупроводника (ГКТ — анод), наблюдается тролит. 1 — прямое смещение (ГКТ — катод); 2, 3 —обратное насыщение темнового тока и фототока. Плотность смещение (ГКТ — анод), измерения в темноте (2) и при тока насыщения близка к расчетному значению для освещении (3).

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 566 И.А. Карпович, А.П. Горшков, С.Б. Левичев, С.В. Морозов, Б.Н. Звонков, Д.О. Филатов тельности от подложки становится только слабее, но не исчезает совсем. Это видно из сравнения кривых 1 и 3 на рис. 3. В результате применение метода КФЭ позволяет понизить минимальную концентрацию обнаружения КТ только до уровня 5·109 см-2. Примерно такая же концентрация КТ необходима и для использования метода фотоэдс в барьере Шоттки.

Характерными особенностями метода ФПЭ являются практически полное отсутствие фона примесной фоточувствительности от подложки и очень низкий уровень шума, что связано с высокой емкостью электролитического конденсатора. Благодаря этим особенностям метода его применение позволяет понизить минимальную Рис. 3. Фотоэлектрические спектры ГКТ, полученные разными концентрацию обнаружения КТ примерно на порядок методами: 1 — метод планарной фотопроводимости, 2 —тоже по сравнению с другими фотоэлектрическими методами, для однородного слоя GaAs; 3 — метод конденсаторной фоточто является главным преимуществом метода, особенно эдс; 4 — метод фотоэдс в переходе ГКТ/электролит (освещение ценным при исследовании ГКТ. Кроме того, в методе со стороны электролита), 5 —то же (освещение со стороны ФПЭ в определенной степени совмещаются достоинства подложки). 6 — спектр фотолюминесценции.

методом КФЭ (не требуется какой-либо предварительной подготовки образцов к измерениям, доступная для внешних воздействий поверхность) и фотоэдс на барьере Шоттки (возможность осуществления токового режима со стороны электролита и подложки совпадают (криизмерений и изменения в широком диапазоне напрявые 4, 5). Наличие заметной фоточувствительности в женности электрического поля в окрестности квантовообласти собственного поглощения GaAs при освещении размерных объектов). Спектроскопия ФПЭ предоставлясо стороны подложки связано с действием рассеянного ет и некоторые уникальные возможности исследования излучения. Полоса фоточувствительности с полкой в ГКТ, в частности возможность изучения in situ процессов области 1.35 эВ относится к смачивающему слою.

образования и пассивации дефектов в этих структурах, Для сравнения на рис. 3 приведен спектр планарной связанных с фотоэлектрохимическими реакциями на их фотопроводимости слоя GaAs, полученного в аналогичповерхности.

ных условиях (кривая 2). Он совмещается со спектром фотопроводимости ГКТ в области собственного погло3.2. Влияние электрического поля щения GaAs. Видно, что фоточувствительность от слоя на спектр ФПЭ КТ при энергиях h < 1.4 эВ только в 2–3 раза превышает примесную фоточувствительность GaAs. Известно, На рис. 4 и 5 показано влияние поперечного элекчто фотопроводимость слоев GaAs в обычных условиях трического поля на спектры ФПЭ, снятые в режиме имеет барьерную природу и определяется модуляцией прохождения тока через полупроводниковый электрод.

при освещении ширины поверхностного и внутреннего При обратном смещении на барьере, когда напряжен(на границе слой/подложка) барьеров [10]. В области ность поля в области пространственного заряда и, следослабого поглощения GaAs при h <1.4 эВ доминирует вательно, в слое КТ увеличивается с ростом смещения, примесная фотопроводимость, связанная с внутренним фоточувствительность возрастает, но при этом заметно барьером, которая определяется в основном поглощениухудшается разрешение структуры спектра (рис. 4, крием излучения глубокими центрами EL2 и HL1 в полувые 1, 2). Ширина пика основного перехода, определенизолирующей подложке и имеет красную границу при ная по форме края фоточувствительности, увеличивается h 0.75 эВ. Концентрация этих центров в эпитаксиальпри напряжении -4 В почти в 2 раза по сравнению с шином слое на 1–2 порядка меньше, чем в подложке, и не риной пика при нулевом смещении (40 мэВ). При прявносит заметного вклада в фоточувствительность. Налимом смещении на барьере фоточувствительность уменьчие фона примесной фоточувствительности от подложки шается, но разрешение спектра возрастает (кривая 3).

приводит к тому, что методом фотопроводимости трудно При достаточно большом прямом смещении наблюобнаружить КТ, если их концентрация 1010 см-2.

дается последовательное исчезновение пиков и полос При измерении КФЭ в конденсаторе, одной из обкла- фоточувствительности с ростом напряжения: сначала док которого является квазинейтральная область самой исчезает пик основного перехода (рис. 4, кривая 4), а ГКТ, к которой делается омический контакт, внутренний затем и переходов на уровни возбуждения (кривые 5 и 6).

барьер, казалось бы, не должен проявляться. Однако При напряжении смещения +2.7В (кривая 6) выявляиз-за малой емкости измерительного конденсатора и ется незаметная в полном спектре полоса фоточувствиналичия паразитной емкостной связи подложки с изме- тельности с порогом 1.22 эВ, связанная с наличием рительным конденсатором фон примесной фоточувстви- другого массива более мелких КТ, обычно образующихся Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Фотоэлектрическая спектроскопия гетероструктур с квантовыми точками InAs/GaAs в системе... поглощения КТ (кривая 2), затем смачивающего слоя (кривая 3) и, наконец, во всей области поглощения ГКТ (кривые 4, 5). При этом фоточувствительность в области основного перехода в КТ значительно превысила фоточувствительность при нулевом смещении и даже фоточувствительность при обратном смещении. Однако при большом прямом смещении, как и при большом обратном смещении, почти полностью исчезла тонкая структура спектра и сильно вырос уровень шума. Описанный эффект наблюдался только на ГКТ с достаточно тонким покровным слоем (15 нм).

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.