WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 9 Исследования эффекта Штарка вертикально сопряженных квантовых точек в гетероструктурах InAs/GaAs © М.М. Соболев, В.М. Устинов, А.Е. Жуков, Ю.Г. Мусихин, Н.Н. Леденцов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 12 февраля 2002 г. Принята к печати 13 февраля 2002 г.) Сообщается о результатах исследований с помощью нестационарной спектроскопии глубоких уровней квантовых состояний дырок в вертикально сопряженных квантовых точках (ВСКТ) в p-n-гетероструктурах InAs/GaAs в зависимости от величины напряжения обратного смещения. Были обнаружены уровни связанных и антисвязанных s- и p-состояний ВСКТ, энергии которых находятся в сильной зависимости от величины приложенного внешнего электрического поля. Наблюдаемые изменения приписываются квантоворазмерному эффекту Штарка для дырочных состояний вертикально сопряженных квантовых точек. Кроме того, обнаружена зависимость величины энергии термической активации носителей из ВСКТ от условий изохронного отжига как при включенном, так и выключенном напряжении смещения, а также при наличии или отсутствии оптической подсветки. Эти изменения, как и в случае одиночных квантовых точек, являются отличительной чертой бистабильного электростатического диполя, образованного носителями, локализованными в квантовой точке и ионизованными точечными дефектами решетки. Встроенное электрическое поле этого диполя уменьшает барьер носителей ВСКТ. Исследуемые структуры с вертикально сопряженными квантовыми точками выращивались методом молекулярно-пучковой эпитаксии за счет эффектов самоорганизации.

1. Введение носителей из квантовых состояний точек. Кроме того, при исследовании структур InAs/GaAs с ВСКТ мы В последнее время наблюдается возрастающий инте- наблюдали смещение положения пика в спектре DLTS, рес — имеющий как фундаментальное, так и прикладное определяемого процессом эмиссии носителей из квантозначение — к исследованию влияния эффектов элек- вого состояния ВСКТ, в высокотемпературную область трического поля на электронные свойства полупровод- спектра с возрастанием величины электрического пониковых систем с нулевой размерностью [1–10]. Такие ля [1,2].

системы с квантовыми точками (КТ), образованными Недавно появились работы по исследованию вида методом самоорганизованного роста гетероэпитаксиаль- спектров фотолюминесценции и фототока самоорганиных напряженных слоев, как показали результаты иссле- зованных КТ InGaAs/GaAs, выращенных на подложках с дований, проведенных в целом ряде лабораторий [1–10], высоким индексом Мюллера, в зависимости от величины имеют высокую степень свободы в управлении зон- электрического поля [5–7]. В этих работах наблюдали ной структурой и электрооптическими свойствами с индуцированное встроенным электрическим полем краспомощью как внешнего, так и внутреннего встроенного ное смещение энергии оптических переходов. Явление, электрических полей. Впервые на возможность управ- ответственное за это смещение, получило наименоваления зонной структурой систем с КТ было обращено ние квантово-размерного эффекта Штарка (КЭШ) и внимание в работах авторов данной статьи, где наблю- связывалось с присутствием пьезоэлектрического поля далось влияние встроенного электрического поля биста- и постоянного дипольного момента внутри КТ [5,6].

бильного диполя, образованного локализованными в КТ В работе [7] при исследовании связи экситона с проносителями и ионизованными точечными дефектами, дольным оптическим фононом в КТ InAs/GaAs было расположенными в ближайшей окрестности КТ [1–4].

показано, что спектр фотолюминесценции КТ демонГенерация дефектов происходила в процессах формиро- стрирует серию новых линий эмиссии. Появление этих вания КТ In(GaAs) и роста эпитаксиальных слоев GaAs.

линий связывали с возмущением, которое возникает изОбразование диполя зависело от условий изохронного за наличия дефектов, локализованных вблизи КТ. В теотермического отжига при включенном или выключен- ретической работе [8] исследовалось проявление КЭШ в ном напряжении обратного смещения и от условий электронных свойствах ВСКТ InAs/GaAs в присутствии освещения белым светом.

электрического поля, направленного вдоль оси роста.

Исследования проводились на структурах InAs/GaAs Было продемонстрировано, что эффект Штарка, так как с вертикально сопряженными (coupled) квантовы- же как и внутризонные переходы в таких системах, ми точками (ВСКТ), так и с одиночными КТ ме- гораздо сильнее, чем для одиночных КТ. Кроме того, тодами нестационарной спектроскопии глубоких уров- было показано, что для системы, состоящей из двух ней (DLTS). После проведения отжига при одном из сопряженных КТ, должны образовываться связанные и упомянутых условий в спектрах DLTS наблюдались антисвязанные состояния, аналогичные тем, что образуизменения положения пиков, связанных с эмиссией ются в молекулах.

5 1090 М.М. Соболев, В.М. Устинов, А.Е. Жуков, Ю.Г. Мусихин, Н.Н. Леденцов Первое описание технологии получения массивов щиной 0.2 мкм. Исследования методом DLTS глубоких электронно-сопряженных КТ и исследование их электри- ловушек в гетероструктурах производились с помощью ческих и оптических свойств было дано в работе [11]. спектрометра DL4600 фирмы BIO-RAD, работающего в Было показано, что для этих объектов характерно прояв- режиме двухстробного интегрирования. Для измерения ление эффективного туннелирования носителей между емкости C использовался мост Boonton-72B, работаюточками в соседних рядах, которое отсутствует в слу- щий на частоте 1 МГц. Чувствительность этой установки чае изолированных КТ. Учитывая, что эффект Штарка равна C/C0 10-4. Для проведения DLTS-измерений в ВСКТ представляет собой новое физическое явление, на подложку n+-GaAs и слой p+-GaAs были термиа также имеет потенциальные возможности примене- чески осаждены омические контакты. Перед каждым ния в устройствах, для которых возможна реализация DLTS-измерением образец изохронно отжигался в течеперестраиваемого с помощью внешнего электрического ние 1 мин при фиксированной температуре и при одном поля межзонного перехода, представляется интересным из условий: включенном (Ura < 0) или выключенном экспериментально исследовать этот эффект для ВСКТ (Ura = 0) напряжении обратного смещения. ПредвариInAs/GaAs с помощью метода DLTS. тельно образец нагревался до 450 K и выдерживался В данной работе представлены результаты исследова- при этой температуре в течение 1 мин с напряжением ний методами DLTS и вольт-фарадных (C-V ) характери- обратного смещения Ura = 0, если дальнейший отжиг стик эмиссии дырок из квантовых состояний вертикаль- проводился при Ura < 0. Затем образец охлаждался до но сопряженных квантовых точек полупроводниковых температуры отжига. При отжиге с Ura = 0 образец предгетероструктур InAs/GaAs в зависимости от величины варительно выдерживался в течение 1 мин при 450 K и напряжения обратного смещения Ur. Определено нали- напряжении Ura < 0. Температура отжига варьировалась чие четырех пиков в спектре DLTS, положение которых в пределах 80-450 K. После этого образец охлаждался смещается в высокотемпературную область спектра при до T = 80 K при одном из условий: Ura < 0 или Ura = 0.

приложении внешнего электрического поля. Кроме того, Далее начинался процесс DLTS-измерений в темноте, обнаружена зависимость величины энергии термической если это не оговаривалось предварительно, или при активации носителей из ВСКТ от условий изохронного освещении белым светом. Для определения профиля отжига при включенном или выключенном напряжении распределения носителей в гетероструктуре были провесмещения и наличия оптической подсветки. Такая зави- дены вольт-фарадные измерения. Энергия термической симость является отличительной чертой бистабильного активации Ea и сечения захвата на них носителей p электростатического диполя, образованного носителями, определялись из зависимости Аррениуса с применением локализованными в квантовой точке, и ионизованными метода „окна темпов“ в стандартных DLTS-измерениях.

точечными дефектами решетки. Эти наблюдения дали основание идентифицировать обнаруженные в спек3. Результаты исследований трах DLTS четыре пика со связанными и антисвязанными s- и p-состояниями ВСКТ, а наличие сильной зависиНа рис. 1 представлена микрофотография образца мости энергии этих состояний от величины приложеннос 6 слоями КТ InAs, полученная методом просвечиваго внешнего электрического поля связать с проявлением ющей электронной микроскопии. Механизм образования эффекта Штарка для состояний вертикально связанВСКТ InAs/GaAs был подробно исследован в работе [11].

ных квантовых точек. Исследуемые гетероструктуры Было показано, что ВСКТ формируются благодаря эфInAs/GaAs с вертикально сопряженными квантовыми фекту самоорганизации, включающему в себя перенос точками выращивались методом молекулярно-пучковй In (Ga, As) от нижних точек к верхним и заменой его эпитаксии (МПЭ) за счет эффектов самоорганизации.

на GaAs [11]. Как видно из рис. 1, латеральный размер нижнего островка ВСКТ InAs не превышает 160. Латеральные размеры островков каждого последующего ряда 2. Образцы и методы исследования постепенно увеличиваются, достигая 260 для верхнего Исследованная в работе гетероструктура InAs/GaAs с островка. Каждая вертикально сопряженная квантовая вертикально сопряженными квантовыми точками была точка состоит из 6 островков InAs, разделенных узкими получена методом МПЭ на подложках n+-GaAs с ориен- прослойками GaAs около 40 (рис. 1).

тацией (100). Массив КТ был сформирован в результате На рис. 2, a приведена вольт-фарадная характерисшестикратного осаждения 2 монослоев InAs, разделен- тика (C-V ) исследуемого образца, измеренная при ных прослойкой GaAs толщиной в 40. В работе [12] температуре 82 K. Изменение емкости при напряжениях было продемонстрировано, что такой массив КТ пред- -7.5 < Ur < -1.8 В демонстрирует типичное для проставляет собой систему вертикально сопряженных КТ. странственно локализованных состояний поведение [13].

ВСКТ были помещены в середину слоя p0-GaAs тол- На C-V -характеристике имеется 3 плато, которые щиной 0.90 мкм, легированного Be до концентрации можно связать с опустошением квантовых состояний 2 · 1016 см-3. Сверху слой p0-GaAs был покрыт p+-GaAs, точек [4]. Распределение концентрации свободных дылегированным Be до концентрации 2 · 1017 см-3 и тол- рок p(Ur ) (рис. 2, b) рассчитано с использованием Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Исследования эффекта Штарка вертикально сопряженных квантовых точек... Рис. 1. Микрофотография поперечного сечения образца с 6 слоями квантовых точек InAs, полученная методом просвечивающей электронной микроскопии.

этих данных. При низких температурах наблюдаются один острый и высокий пик при Ur 3.0 В и два менее высоких и более широких пика при Ur 5.0В и Ur 6.8 В, проявление которых связано с опустошением носителей, аккумулированных на квантовых состояниях точек. С обеих сторон первого пика наблюдаются также области обеднения. Распределения концентрации дырок p(Ur ) были получены для двух условий предварительного изохронного отжига: Ura < 0 и Ura = (рис. 2, b).

Из C-V -измерений нами были определены диапазоны напряжений обратного смещения, при которых в спектрах DLTS должны наблюдаться сигналы, связанные с эмиссией носителей из квантовых состояний ВСКТ и глубоких уровней дефектов. Для определения пространственной локализации DLTS-сигналов измерения были проведены при одновременном изменении импульса заполнения Uf и напряжения импульса обратного смещения Ur, но с фиксированным интервалом между ними U = Ur - Uf = 0.5В (рис. 3). При варьировании величины Ur в диапазоне 2.8-3.7В (который соответствует первому пику опустошения дырок, аккумулированных на одном из состояний КТ, см. зависимость p(Ur)) в спектрах DLTS наблюдаются один ярко выраженный пик HD1 и его плечо со стороны высоких температур, которые смещаются в высокотемпературную область по мере роста величины Ur. При этом с увеличением Ur наблюдается также и рост амплитуды DLTS-сигналов. Энергия термической активации носителей для этого уровня, соответствующая пику HDи определенная из зависимости Аррениуса, изменялась с ростом Ur в пределах Ea = 110-154 мэВ, а сечение захвата p = 9.4 · 10-19-3.8 · 10-17 см2 (см. таблицу).

При дальнейшем увеличении величины Ur в диаРис. 2. a — вольт-фарадная характеристика p-n-гетеропазоне 4.2-5.1 В положение первого пика в спекструктуры с 6 слоями квантовых точек InAs в матрице GaAs, измеренная при T = 82 K после предварительного изохронно- тре DLTS (кривая 4 на рис. 3), обозначенного нами го отжига при Ta = 400 K и с Ura < 0; b — распределения конкак HD2, так и второго пика HD3, который проявился центрации дырок p(Ur), определенные из C-V -характеристик со стороны высоких температур, смещалось в сторону при T = 82 K после предварительного изохронного отжига высоких температур. Амплитуда пика HD2 при этом с условиями: 1 — Ura = 0, 2 — Ura < 0.

практически не изменялась до значений Ur = 4.7В.

5 Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 1092 М.М. Соболев, В.М. Устинов, А.Е. Жуков, Ю.Г. Мусихин, Н.Н. Леденцов Параметры глубоких уровней дефектов, примесей и квантовых с Ura = 0 приводит к смещению пиков DLTS HD1-HDсостояний точек в высокотемпературную область спектра, которые были обозначены нами на рис. 4 соответственно как HD1, Наименование Энергия Сечение за- Идентификация HD2, HD3 и HD4. В случае пика DLTS HD1 наблюуровней Ea, мэВ хвата p, см2 уровней далось также уменьшение его амплитуды. ТрансформаHD1 110 9.4 · 10-ция пиков из состояния HD1, HD2, HD3 и HD4 в HD2 222 4.2 · 10-состояния HD1, HD2, HD3 и HD4 носила обратимый HD3 368 1.5 · 10-характер. Оптическая подсветка также приводила к изHD4 287 1.2 · 10-менению положения этих пиков DLTS, но в низкотемHD5 726 8.2 · 10-13 HL9 [15] HD6 526 2.0 · 10-16 HL8 [15] HD7 590 1.1 · 10-16 HS2 [16] При Ur = 5.1 В высота его значительно уменьшилась, а амплитуда второго пика в спектре DLTS HD3 увеличилась. Этому диапазону Ur в зависимости p(Ur ) соответствует спад первого пика опустошения дырок, аккумулированных на одном из состояний КТ, и рост второго пика, которому, по-видимому, соответствует опустошение другого состояния КТ. Параметры уровня, соответствующего пику HD2, изменялись в этом диапазоне с ростом Ur соответственно: Ea = 222-241 мэВ, p = 4.2 · 10-16-2.5 · 10-16 см2. Для пика HD3 наблюдалось значительное уширение и размытие, вследствие чего параметры уровня, соответствующие пику HD3, надежно удалось определить только для знаРис. 3. Спектры DLTS p-n-гетероструктуры с 6 слоями кванчения Ur = 4.7 В, которые были равны: Ea = 368 мэВ, товых точек InAs в матрице GaAs при различных напряжениях p = 1.5 · 10-16 см2.

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.