WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Эмиссия электронов и дырок из КТ в матрицу, с которой связано явление ФПЭ в области поглощения КТ, имеет туннельную природу. На это указывает необходимость встраивания слоя КТ в область сильного Рис. 4. Влияние поперечного электрического поля в слое КТ поля поверхностного барьера для появления заметной на спектр ФПЭ. V, B: 1 — (-4.0), 2 —0.0, 3 — (+1.4), фоточувствительности от КТ и полное исчезновение 4 — (+1.8), 5 — (+2.1), 6 — (+2.7), 7 — (+3.0). На вставфоточувствительности от КТ при достаточно большом ках — энергетические диаграммы приконтактной области перепрямом смещении. Оценки показывают, что уменьшения хода полупроводник/электролит при положительном смещении энергии активации термического выброса в результате меньше порогового Vt (a) и больше порогового (b).

эффекта Шоттки в полях 5 · 104 В/см было бы недостаточно для этого. Время жизни фотоэлектронов и фотодырок на уровнях возбуждения КТ в общем случае определяется скоростями трех процессов: релаксации в основное состояние, излучательной и безызлучательной рекомбинации и эмиссии из КТ в матрицу.

Влияние поля на ширину линий оптических переходов в КТ можно объяснить изменением прозрачности треугольного барьера, через который происходит туннельная эмиссия. Поскольку слой КТ находится почти в области вершины поверхностного барьера, основную роль в возникновении фотоэдс играет эмиссия электронов, а не дырок (рис. 4, вставка a). Эффективная ширина барьера для туннелирования и, следовательно, его прозрачность зависят от напряженности поля в окрестности КТ: прозрачность барьера возрастает при обратном смещении Рис. 5. Влияние поперечного электрического поля в слое КТ и уменьшается при прямом смещении на барьере. При на спектр ФПЭ. V, В: 1 — (+3.0) (кривая 7 на рис. 4), этом время жизни неравновесных электронов на уров2 — (+3.2), 3 — (+3.4), 4 — (+4.0), 5 — (+8.0).

нях КТ соответственно уменьшается или возрастает, а ширина линии оптического перехода в соответствии с соотношением неопределенности изменяется обратно в исследуемых ГКТ [9]. На данном образце при 77 K пропорционально этому времени. Для того чтобы ненаблюдался соответствующий этой полосе слабый пик определенность в энергии была соизмерима с шириной фотолюминесценции (ФЛ) при энергии h 1.3эВ.

линии излучения ансамбля КТ ( 40 мэВ), необходимо, При напряжении V =+3 В в спектре ГКТ исчезает вся чтобы время жизни по отношению к эмиссии было полоса фоточувствительности от КТ и остается только 0.1 пс. Процессы межуровневой релаксации носителей полоса от квантовой ямы смачивающего слоя (WL) и их излучательной рекомбинации в КТ характеризуются (кривая 7). Заметим, что в спектрах ФЛ исследованных значительно большими временами ( 10 и 100 пс ГКТ редко наблюдался пик ФЛ от смачивающего слоя соответственно). Заметим, что вблизи порога исчезнопри 77 K, в то время как в фотоэлектрических спектрах вения пика фоточувствительности может наблюдаться эта полоса всегда присутствует, даже когда сами КТ не кажущееся сужение пика, обусловленное тем, что фодают заметного вклада в фоточувствительность.

точувствительность от более крупных точек исчезает Неожиданным оказалось влияние на спектр ГКТ пря- при меньшем напряжении смещения. Это заметно на мого смещения выше некоторого порогового значения кривой 3 рис. 4, где пик основного перехода выглядит Vt = +3 В для данной структуры (рис. 5). Спектр обрезанным со стороны низких энергий.

фоточувствительности от КТ стал при этом восстана- Тот факт, что поле влияет на ширину линии не только вливаться, но изменился знак фотоэдс сначала в области основного перехода, но и переходов в возбужденные Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 568 И.А. Карпович, А.П. Горшков, С.Б. Левичев, С.В. Морозов, Б.Н. Звонков, Д.О. Филатов состояния КТ, а также последовательное, а не одновре- смещении становится больше фототока противоположменное исчезновение и появление линий спектра КТ при ного направления, однако из-за эффекта компенсации прямом смещении, показывает, что в достаточно сильном фототоков фоточувствительность при большом прямом электрическом поле эмиссия неравновесных электронов смещении почти на порядок меньше фоточувствительи дырок из КТ в матрицу происходит непосредственно ности при обратном смещении.

с уровней возбуждения КТ. Этот вывод вполне согласуется с вышеприведенными оценками различных времен, 3.3. Влияние эмиссионного барьера которые могут определять время жизни возбужденного в квантовых точках на спектр ФПЭ состояния.

Восстановление фоточувствительности от КТ со смеНекоторые особенности морфологии и фотоэлектронной знака фотоэдс при достаточно большом прямом ных свойств ГКТ, полученных МОСГЭ, в частности смещении V > Vt можно объяснить сменой знака заряда низкие значения энергии основного перехода в КТ, связына границе ГКТ/электролит с отрицательного на половались в [9] с образованием на границе КТ переходного жительный в результате электрохимических процессов слоя твердого раствора, играющего роль внешней кванна электроде. На полупроводниковом катоде нейтрализутовой ямы в комбинированных слоях КЯ/КТ [11]. Уменьются протоны из электролита и выделяется атомарный шение энергии основного перехода означает увеличение водород. При достаточно большой плотности тока на высоты барьеров, определяющих скорость эмиссии элекповерхности ГКТ может образоваться положительный тронов и дырок из КТ в GaAs. При достаточно большой заряд в результате пассивации поверхностных состояний высоте этих барьеров фотоэлектрическая чувствительатомарным водородом и накопления протонов на поверхность от слоя КТ должна исчезнуть.

ности. При отсутствии в поверхностном барьере слоя КТ На рис. 6 показаны спектры ФЛ и ФПЭ двух ГКТ:

это привело бы к изменению направления изгиба зон с покровным слоем (кривые 1, 3) и без него (крив приповерхностной области на противоположный, т. е.

вые 4, 5). В результате оптимизации условий осаждения к образованию обогащенного слоя на поверхности, что в первой структуре было получено, по-видимому, одно действительно наблюдается на поверхности ряда полуиз самых низких значений энергии основного перехода проводников [8]. В данном случае этого не происходит, в КТ InAs/GaAs при комнатной температуре — 0.85 эВ, так как образование обогащенного слоя с встроенным которому соответствует длина волны 1.46 мкм. При этом в него слоем КТ привело бы к заполнению уровней ширина пика ФЛ QD1 на полувысоте была 25 мэВ, КТ электронами и исчезновению не только фоточувчто свидетельствует о высокой однородности КТ по ствительности, но и поглощения излучения квантовыми размерам и химическому составу. Однако поверхностная точками. Мы полагаем, что уменьшение высоты барьера плотность КТ, оцененная по соотношению между значедо некоторого значения приводит к появлению отрицательного заряда в слое КТ и возникновению двой- ниями фоточувствительности в области поглощения КТ и смачивающего слоя [9], была невелика ( 3·109 см-2).

ного заряженного слоя на поверхности, разделенного покровным слоем в качестве диэлектрика. При достаточно большом положительном поверхностном заряде электрическое поле в этом слое обеспечит возможность туннельной эмиссии электронов уже не в объем полупроводника, а в сторону поверхности (рис. 4, вставка b), что объясняет смену знака фотоэдс и восстановление фоточувствительности от слоя КТ.

Заметим, что отрицательный заряд в слое КТ не может быть локализован непосредственно на КТ, так как их поверхностная плотность недостаточна для создания необходимой для туннелирования в смачивающий слой напряженности поля 5 · 104 В/см. Если считать, что расстояние от вершин кластеров (КТ) до поверхности покровного слоя составляет 10 нм, то для создания такого поля требуется поверхностная плотность зарядов 3 · 1011 см-2. Очевидно, такой заряд может быть локализован только на примесях и дефектах в слое КТ (рис. 4, вставка b).

Рис. 6. Спектры фотолюминесценции и фотоэдс гетерострукФотовозбуждение в области собственного поглощения тур с низкой энергией основного перехода в КТ. ГКТ с покровGaAs при наличии такого барьера приведет к возникноным слоем: 1 — спектр ФЛ при 300 K, 2 — то же при 77 K, вению в нем фототоков противоположного направления.

3 — спектр ФПЭ; ГКТ без покровного слоя: 4 —спектр ФЛ Несмотря на малую толщину покровного слоя, генери- при 77 K, 5 — спектр ФПЭ, 6 — выделенный спектр фоточувруемый в нем фототок при достаточно большом прямом ствительности (поглощения) смачивающего слоя.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Фотоэлектрическая спектроскопия гетероструктур с квантовыми точками InAs/GaAs в системе... Из-за этого получить спектры фоточувствительности (поглощения) более чем в 2 раза в диапазоне толщин от КТ на этой структуре удалось только методом ФПЭ. от 1 до 2 монослоев говорит о том, что смачивающий При энергии основного перехода в КТ 0.9эВ элек- слой, вероятно, имеет номинальную толщину, промежутрическое поле поверхностного барьера в КТ даже при точную между этими значениями.

минимальной толщине покровного слоя (15 нм) оказыва- Уже говорилось, что в исследованных ГКТ наряду с ется недостаточно сильным для того, чтобы квантовый массивом относительно крупных КТ (размер в основании выход туннельной эмиссии фотоэлектронов в области 40 нм и высота 6нм) обычно образуется и массив основного перехода был близок к единице. Поэтому более мелких КТ (с размерами 30 нм и 1.6нм пик фоточувствительности в этой области оказывается соответственно) [9]. С ними связан пик ФЛ QD2 при значительно ниже пика в области перехода на первый энергии h 1.29 эВ, который наблюдается при 77 K уровень возбуждения (рис. 6, кривая 3), тогда как в ГКТс (кривая 2). Отсутствие какой-либо особенности на большим значением энергии основного перехода, где нет кривой 6 при энергии h 1.21 эВ (с поправкой на темтакого ограничения, высоты этих пиков почти одинаковы пературное смещение основного перехода) объясняется (см. рис. 3). Этот факт подтверждает вывод о том, что недостаточно высокой поверхностной плотностью КТ фотоэлектроны и фотодырки на уровнях возбуждения этого типа. Их удается обнаружить на спектрах фотоне успевают релаксировать на основной уровень до их чувствительности только при оптимально подобранном эмиссии из КТ.

положительном смещении (рис. 4, кривая 6).

В ГКТ без покровного слоя поверхностная плотность КТ, непосредственно измеренная на сканирующем Заключение атомно-силовом микроскопе, оказалась 7 · 109 см-2.

Методом ФПЭ при обратном смещении на барьере удаПроведенные исследования показывают, что спектролось обнаружить фоточувствительность от поверхностскопия фотовольтаического эффекта в переходе полупроных КТ и проследить ее вплоть до энергии h 0.75 эВ водник/электролит существенно расширяет возможности (рис. 6, кривая 5). Как и следовало ожидать при таком фотоэлектрической диагностики гетероструктур с кванмалом значении энергии основного перехода, фоточувтовыми точками типа InAs/GaAs. Они продемонстрироствительность вблизи порога оказалась оцень низкой ваны измерениями фотоэлектрических спектров от КТ по сравнению с фоточувствительностью при энергии с большой высотой барьера для эмиссии электронов и квантов h > 0.9 эВ, когда квантовая эффективность дырок и с низкой поверхностной концентрацией, а также эмиссии становится близкой к единице. О том, что данными по влиянию поля на спектры фоточувствипорог был достигнут, свидетельствует обнаруженный на тельности. Эти исследования показали, что поперечное этой структуре при 77 K широкий пик ФЛ с энергией электрическое поле влияет на ширину линий оптических максимума h 0.83 эВ (кривая 4), который с учетом переходов в КТ и в сильных полях туннельная эмиссия температурного смещения соответствует порогу фотоэлектронов из КТ в матрицу происходит непосредственчувствительности. Большое красное смещение энергии но с уровней возбуждения. Использование фотоэлекосновного перехода в поверхностных КТ было обнаружетрохимических процессов в переходе ГКТ/электролит но ранее методом ФЛ в работе [12] и объяснено релаксаоткрывает перспективы управления состоянием поверхцией упругих напряжений в таких КТ. Сильное уширение ности этих структур.

полосы ФЛ от поверхностных КТ, вероятно, обусловлено увеличением дисперсии эффективных размеров КТ в Авторы выражают благодарность В.Я. Алешкину за связи с их неоднородным окислением. Подобное явление полезное обсуждение некоторых вопросов.

наблюдалось и на спектрах ФЛ частично окисленных Работа выполнялась при финансовой поддержке поверхностных квантовых ям [5].

РФФИ (гранты № 98-02-16688, 00-02-17598), МиВ структуре с поверхностным слоем КТ смачиваюнистерства образования РФ (гранты № 97-7.1-щий слой если и образуется, то полностью окисляется и 015.06.01.19), программы МНТП ”Физика и технолона воздухе, и поэтому он не проявляется в спектре гия твердотельных наноструктур” (грант № 99-1141) и КФЭ (кривая 5). Подъем фоточувствительности при h > 1.3 эВ связан с краем собственного поглоще- совместной программы Министерства образования РФ и CRDF (BRHE Program, REC-001).

ния GaAs. В структуре с покровным слоем (кривая 3) увеличение фоточувствительности при h > 1.15 эВ связано со смачивающим слоем. Если совместить криСписок литературы вые 5 и 3 при h < 1.15 эВ и найти разность, то мы должны получить спектр фоточувствительности смачи[1] P. Blood. J. Appl. Phys., 58, 2288 (1985).

вающего слоя (WL), который характеризует и спектр [2] H.J. Polland, Y. Horikoshi, E.O. Gobel, J. Kuhl, K. Ploog. Surf.

оптического поглощения этого слоя (кривая 6). СтрелSci., 174, 278 (1986).

ками показаны расчетные значения края поглощения [3] И.А. Карпович, В.Я. Алешкин, А.В. Аншон, Т.С. Бабушкидля напряженных смачивающих слоев InAs толщиной на, Б.Н. Звонков, И.Г. Малкина. ФТП, 24, 2172 (1990).

и 2 монослоя (ML). Уменьшение фоточувствительности [4] X. He, M. Raseghi. Appl. Phys. Lett., 262, 618 (1993).

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 570 И.А. Карпович, А.П. Горшков, С.Б. Левичев, С.В. Морозов, Б.Н. Звонков, Д.О. Филатов [5] И.А. Карпович, В.Я. Алешкин, А.В. Аншон, Н.В. Байдусь, Л.М. Батукова, Б.Н. Звонков, С.М. Планкина. ФТП, 26, 1886 (1992).

[6] И.А. Карпович, Д.О. Филатов. ФТП, 30, 1745 (1996).

[7] Б.Н. Звонков, И.Г. Малкина, Е.Р. Линькова, В.Я. Алешкин, И.А. Карпович, Д.О. Филатов. ФТП, 31, 1100 (1997).

[8] Ю.Я. Гуревич, Ю.В. Плесков. Фотоэлектрохимия полупроводников (М., Наука, 1983).

[9] Б.Н. Звонков, И.А. Карпович, Н.В. Байдусь, Д.О. Филатов, С.В. Морозов. ФТП, 35 (1), 92 (2001).

[10] И.А. Карпович, Б.И. Бедный, Н.В. Байдусь, С.М. Планкина, М.В. Степихова, М.В. Шилова. ФТП, 23, 2164 (1989).

[11] K. Nishi, H. Saito, S. Sugou, J.-S. Lee. Appl. Phys. Lett., 74, 1111 (1999).

[12] H. Saito, K. Nishi, S. Sugou. Appl. Phys. Lett., 73, (1998).

Pages:     | 1 || 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.