WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 9 Фотоэлектрические свойства гетероструктур GaAs/InAs с квантовыми точками © Б.Н. Звонков, И.Г. Малкина, Е.Р. Линькова, В.Я. Алешкин, И.А. Карпович†, Д.О. Филатов† Научно-исследовательский физико-технический институт при Нижегородском государственном университете 603600 Нижний Новгород, Россия Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603600 Нижний Новгород, Россия † Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603600 Нижний Новгород, Россия (Получена 27 февраля 1996 г. Принята к печати 13 января 1997 г.) Исследованы спектры конденсаторной фотоэдс и фотопроводимости гетероструктур GaAs/InAs с квантовыми точками, полученных газофазной эпитаксией с использованием металлорганических соединений. Спектр фоточувствительности в области поглощения квантовых точек имеет характерную пикообразную форму, отражающую -образный характер функции плотности состояний. На спектрах проявляется также полоса фоточувствительности, связанная с образованием в структуре монослойной квантовой ямы InAs. Получено выражение для коэффициента поглощения ансамблем квантовых точек, имеющих некоторое распределение по размерам. Показано, что анализ на его основе спектров фоточувствительности позволяет определить энергетическое распределение комбинированной плотности состояний, поверхностную плотность квантовых точек, эффективное сечение захвата фотона.

В последнее время привлекают к себе внимание от толщины слоя InAs и разработка методики определегетероструктуры GaAs/InAs с квантовыми точками ния из этих спектров некоторых параметров ансамбля (КТ) [1–4]. При своевременной остановке роста слоя КТ: энергетического спектра, коэффициента поглощеInAs в результате процессов самоорганизации по меха- ния, плотности состояний, поверхностной плотности КТ низму Странского–Крастанова [5] образуются отдельные и др.

нанокристаллы, в которых носители имеют дискретный энергетический спектр (квантовые точки).

Теория В опубликованных к настоящему времени работах в основном исследовались морфология поверхности гетеМеханизм явления КФЭ на поверхностном барьере в роструктур после остановки роста [6,7] и фотолюминесгетероструктурах с квантовыми ямами (КЯ) в спектральценция (ФЛ) структур с КТ. Так как плотность состояний ной области межзонных переходов между уровнями в КТ описывается -функцией Дирака [8], спектр ФЛ размерного квантования включает 3 основных этапа [11]:

отдельной КТ должен состоять из узкой линии, имеющей 1) генерацию электронно-дырочных пар в КЯ, 2) эмисестественную ширину, определяемую временем жизни сию неравновесных носителей из КЯ и 3) разделение пар возбужденного состояния в КТ согласно соотношению в поле поверхностного барьера. В малосигнальном режинеопределенности. При возбуждении небольшого числа ме измерения КФЭ фоточувствительность в этой области КТ удается наблюдать ряд узких линий люминесценции с поглощения SW (h) пропорциональна коэффициенту пошириной 0.1 мэВ, не зависящей от температуры [6,9].

глощения КЯ W (h) [12]. Поскольку перечисленные При возбуждении ФЛ на относительно большой площади явления для любого вида квантово-размерных объектов образца вследствие естественного разброса нанокристал(ямы, нити, точки) принципиально не отличаются, слелов по размерам спектр ФЛ имеет значительно более дует ожидать, что и для структур с КТ имеет место такой широкий максимум [9], ширина которого определяется же механзим.

энергетическим распределением комбинированной плотНайдем связь между коэффициентом поглощения, ности состояний в ансамбле КТ g(E).

комбинированной плотностью состояний и фоточувствиПлотность состояний может быть определена нескольтельностью для ансамбля КТ, имеющих некоторое раскими методами, одним из которых является измерение пределение по размерам.

спектральной зависимости коэффициента поглощения Поскольку в рассматриваемых структурах КТ распосвета [8]. В данной работе для этого применялись лагаются в одной плоскости, удобно вместо объемного методы спектроскопии конденсаторной фотоэдс (КФЭ) коэффициента поглощения использовать безразмерный и планарной фотопроводимости (ФП), которые ранее коэффициент поглощения использовались для диагностики гетероструктур с кванI товыми ямами [10–12].

D(h) =, (1) IЦель данной работы — выяснение особенностей спектров фотоэлектрической чувствительности гетерострук- где I = I0-I1, I0, I1 — интенсивности падающего и тур GaAs/InAs с квантовыми точками в зависимости в прошедшего через плоскость КТ излучения.

Фотоэлектрические свойства гетероструктур GaAs/InAs с квантовыми точками Согласно золотому правилу Ферми, GaAs и слабо зависит от состояния поверхности [12].

Таким образом, в соответствующем режиме измерений 2(eF)2h i i i SD(h) g(h), т. е. спектроскопия КФЭ является пряI = |Peh|2 Ee - Eh - h, (2) m2(h) мым методом определения комбинированной плотности i состояний ансамбля КТ.

где F — напряженность электрического поля в пдаюСогласно (5), (6), из измерений спектра фоточувствищей электромагнитной волне, m0 — масса свободного тельности SD(h) можно определить поверхностную конi i электрона, e — элементарный заряд, Ee и Eh —энергия центрацию КТ Ns. Если пик поглощения определяется уровней размерного квантования электронов и дырок, только одним переходом к КТ, i Peh — матричный элемент оператора импульса для пе 1 cmn рехода между этими уровнями в i-й КТ. Множитель Ns = g(h) d(h) = D(h) dh. (7) в числителе учитывает спиновое вырождение уровня, 2 2e2h|X|суммирование ведется по всему ансамблю КТ.

Интегрирование ведется в окрестности максимума, в Маричный элемент которой подынтегральная функция вносит существенный вклад в интеграл.

i i i |Peh|2 = |P|2 h (r) e(r) dr = |P|2 |Xi|2, (3) При аппроксимации пика поглощения функцией Гаусса выражение (7) можно записать в виде i i где h(r), e(r) — огибающие волновые функции дырок и электронов в i-й КТ, |Xi|2 — интеграл перекрытия m = D Ns, (8) огибающих волновых функций, P — матричный элемент оператора импульса, вычисленный на быстроосциллиру- где величина ющих частях блоховских функций. В модели Кейна 2 ln2 e2h QD = |X|2 (9) |P|2 Eg cmn (4) m2 2mn имеет смысл эффективного сечения захвата фотона кван[13], где mn — эффективная масса электрона, Eg — товой точкой, m = D(hm) — высота пика поглощения, ширина запрещенной зоны материала барьера (GaAs), — его ширина на полувысоте.

поскольку из-за малых размеров КТ ( 10 нм) уровни размерного квантования электронов и дырок лежат Методика эксперимента вблизи краев зон GaAs и огибающие волновые функции локализованы в основном в материале барьера.

Структуры GaAs/InAs выращивались на подложках Предполагая слабую зависимость интеграла перекры (001) GaAs методом газофазной эпитаксии из металлортия Xi от i и учитывая, что I0 = c F2/2, где ганических соединений при атмосферном давлении. Для — диэлектрическая проницаемость барьера, из (1)–(4) получения клиновидных структур рост осуществлялся получаем в ламинарном потоке без вращения подложки. Было e2h D(h) = |X|2g(h), (5) установлено, что при этом скорости роста InAs и GaAs cmn линейно убывали с увеличением расстояния от края где g(h) — комбинированная плотность состояний в подложки и были пропорциональны друг другу.

ансамбле КТ, |X|2 1.

Структура N1 выращена на n+-подложке при 650Cи Этапы эмиссии носителей из КТ и возникновения состояла из буферного слоя GaAs, слоя InAs с квантофотоэдс характеризуются квантовой эффективностью D, выми точками и покровного слоя GaAs. Определенная равной отношению числа разделенных полем барьера по скорости роста средняя толщина буферного слоя соэлектронно-дырочных пар к числу пар, возбужденных ставляла 0.34 мкм, покровного слоя — 0.24 мкм, средняя в КТ. Обозначим через 0 квантовую эффективность в номинальная толщина слоя InAs d = 1.6 монослоя области собственного поглощения GaAs и через SD — (ML). Структура легировалась Si. По данным измереотношение фоточувствительности в области поглощения ний зависимостей емкости от напряжения, концентрация КТ к фоточуствительности на краю собственного поэлектронов в GaAs n0 = (2-4) · 1016 см-3. На этой глощения GaAs (нормированная фоточувствительность).

структуре исследовались спектры фотолюминесценции Тогда можно написать [12] (ФЛ) при 77 K, конденсаторной фотоэдс (КФЭ) при и 300 K, а также вольтемкостные (C-V ) характеристики D SD = D. (6) барьеров Шоттки (Al).

Для измерения спектров фотопроводимости на поВеличина D должна быть близка к единице при нахо- луизолирующей подложке при 550C была выращена ждении КТ в достаточно сильном поле поверхностного структура № 2 с параметрами, близкими к параметрам барьера, 0 = 0.5 + 0.25 для поверхностного барьера структуры № 1. Структура № 2 также имела форму Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1102 Б.Н. Звонков, И.Г. Малкина, Е.Р. Линькова, В.Я. Алешкин, И.А. Карпович, Д.О. Филатов Геометрические параметры структуры Nклина. Для измерения ФП из структуры выкалывались образцы 5 1 мм в отдельных точках вдоль клина.

№ x, мм Lbs, мкм d, ML D, нм ФЛ возбуждалась He–Ne-лазером при интенсивности образца фотовозбуждения 1020 см-2 · с-1. Методика измере1 0 0.15 1.1 ния КФЭ описана в [12].

2 5 0.18 1.3 3 8 0.19 1.4 4 14 0.21 1.6 Результаты и обсуждение 5 20 0.23 1.8 6 25 0.28 2.1 C-V -характеристики. На C-V-характеристиках структур наблюдалось характерное плато, связанное с прохождением границей области пространственного заряда (ОПЭ) квантово-размерного слоя, в котором Наиболее примечательной особенностью этих спекдвижение носителей ограничено вдоль направления тров, отличающей их от спектров гетероструктур с кванроста структуры [14]. Однако результаты измерений товыми ямами GaAs/InxGa1-xAs [10–12], является нане позволяли установить, имеет ли место квантовое личие хорошо выраженного пика фоточувствительности ограничение также и в плоскости структуры.

в области энергий, меньших ширины запрещенной зоВ таблице приведены значения толщины покровного ны GaAs. Естественно считать, что этот пик обусловлен слоя Lbs, определенные C-V-методом для 6 образцов, поглощением света в КТ InAs, и его форма отражает выколотых из структуры № 1 и расположенных на -образный характер функции плотности состояний в расстоянии x вдоль клина. По этим данным рассчиты- КТ. Закономерный непрерывный сдвиг положения маквалась локальная номинальная толщина InAs d с учетом симума hm в сторону меньших энергий с увеличением пропорциональности скоростей роста GaAs и InAs, что d объясняется увеличением размера КТ. При этом приводит к соотношению d(x) Lbs(x).

их поверхностная плотность и дисперсия по размерам По ширине плато на зависимости C(V) определена существенно не изменяются, так как высота пика и его поверхностная концентрация электронов в квантово- ширина остаются практически неизменными.

размерном слое ns =(1.1 ±0.2) · 1011 см-2.

При 77 K (рис. 2) хорошо разрешается также стуКонденсаторная фотоэдс и фотолюминесценция.

пенчатая полоса с энергией края 1.47 эВ. ПодобНа рис. 1 и 2 приведены спектры фоточувствительности ную ступеньку с краем 1.38 эВ можно обнаружить КФЭ при 300 и 77 K соответственно, измеренные на и при 300 K (рис. 1), однако она менее выражена изобразцах с различными значениями d.

за температурного размытия края поглощения GaAs.

Рис. 1. Спектры КФЭ при разных значениях d (300 K). Рис. 2. То же, что на рис. 1, при 77 K. Покровный слой утонен Номера кривых соответствуют номерам образцов в таблице. для переноса квантово-размерного слоя в ОПЗ поверхностного Стрелка показывает теоретическое значение энергии основного барьера.

перехода в монослойной квантовой яме InAs.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Фотоэлектрические свойства гетероструктур GaAs/InAs с квантовыми точками На правом плече пиков, связанных с основным переходом в КТ с участием тяжелых дырок e1-hh1, наблюдается выпуклость, которую можно связать с переходами с участием легких дырок e1-lh1. Форма пиков КФЭ хорошо аппроксимируется гауссовой функцией. Как показывает анализ, спектр КФЭ в области h < 1.4эВ раскладывается на 2 гауссовых пика от КТ с близкой шириной и полосу от квантовой ямы (рис. 3).

В спектрах ФЛпри 77 K(рис. 4) наблюдается только пик, связанный с переходом e1-hh1 в КТ. Форма пиков также близка к гауссовой, их энергетическое положение и ширина совпадают с параметрами соответствующих пиков КФЭ.

Зависимость КФЭ от температуры и положения КТ относительно поверхностного барьера. В исРис. 3. Аппроксимация спектра КФЭ квантовых точек гауссовыми кривыми для образца 4 (300 K). 1 — спектр КФЭ, ходной структуре КТ находились в квазинейтральном 2 — пик фоточувствительности для перехода e1-hh1, 3 —то объеме слоя GaAs. В этом случае КФЭ возникает в же для перехода e1-lh1, 4 — спектр КФЭ после вычитания из результате термической эмиссии дырок с уровня Ehh1 в него кривых 2 и 3.

валентную зону GaAs с последующей их диффузией к поверхностному барьеру. При этом зависимость SD от температуры, как и для КЯ, должна иметь активационный характер: SD exp(-Ea/kT ), где Ea =Ehh1-Ev [11].

Эта полоса присутствует на всех спектрах КФЭ, ее Такая температурная зависимость SD приводит к иснормированная высота и положение края не изменяечезновению фоточувствительности в области поглощеются при d > 1 ML. Появление этой полосы хорошо ния КТ при 77 K. Для измерения КФЭ при 77 K было объясняется образованием смачивающего слоя InAs толприменено послойное стравливание покровного слоя с щиной 1 ML. Наличие такого слоя отмечалось в ряде целью переноса КТ в область барьера. В достаточно работ (см., например, [1–4,6,9]). Оба значения энергии сильном поле 104 В/см КФЭ в области поглощения края согласуются с теоретическими, вычисленными для КТ определяется туннельной эмиссией электронов через прямоугольной квантовой ямы InAs толщиной 1 ML сниженный полем треугольный барьер, квантовая эффек(0.33 нм) по модели [15]: 1.464 и 1.374 эВ соответственно тивность D 1 и перестает зависеть от температуры.

(показаны стрелками на рис. 1 и 2).

Для появления фоточувствительности в области поЗаметим, что в КТ GaAs/InAs, исследованных в раглощения КТ при 77 K достаточно было утонить Lbs на ботах [1–4,6,7], пики ФЛ от КТ смещены значительно 0.07 мкм у образцов 1–4 и на 0.14 мкм у образцов 5 и 6.

дальше в низкоэнергетическую область (hm 1эВ Если КТ расположены в поверхностном барьере, то при 77 K), а в области h >1.4 эВ обычно наблюдается SD, как видно из рис. 2, не зависит в пределах ошибки пик ФЛ, приписываемый экситонам в смачивающем слое измерений от d, т. е. от размера КТ, а также от темпераInAs. Это расхождение в значениях hm от КТ, как будет туры. При 300 K она не зависит и от положения этого показано дальше, обусловлено различием в размерах и форме КТ, которое в свою очередь связано с различиями в технологии и условиях выращивания КТ.

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.