WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

mxy = 0.39m0, mz = 0.2m0. Рассматривались толь- тронов приводит к их пространственному разделению, в ко тяжелые дырки, поскольку состояния легких дырок результате которого второй электрон оказывается свянаходились вблизи края валентной зоны Si. Волновые занным вблизи границы между Si и сплошным слоем Ge, функции экситона записывались в приближении Хартри на котором располагаются пирамиды (рис. 2). В этой в виде произведения волновых функций электрона и области существует второй локальный минимум в зоне дырки. проводимости за счет упругих деформаций вследствие несоответствия постоянных решеток Ge и Si. Этот Расчеты показали, что в случае единичного экситона локальный экстремум является мельче первого в области в КТ электрон локализуется в области максимальных вершины пирамиды.

напряжений Si в окрестности вершины пирамиды Ge, а дырка сосредоточена вблизи основания пирамиды. В ком- Расчеты также показали, что энергия связи электрона плексе, состоящем из двух экситонов, отталкивание элек- при образовании экситона составляет Et = 38 мэВ. ПриФизика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Квантовые точки 2 типа в системе Ge/Si чем основной вклад в энергию локализации электрона уменьшении ее размера, так же как и при уменьшении бавблизи гетерограницы Ge/Si дает кулоновское взаимодей- рьера. Это обеспечивает увеличение перекрытия волноствие электрона и дырки (29 мэВ — энергия связи экси- вых функций электрона и дырки и приводит к усилению тона). Оставшаяся часть (9мэВ) обусловлена вкладом корреляции в их движении. Согласно расчетам [9], сильнеоднородного распределения деформаций в формирова- ный рост фактора перекрытия начинается, когда отношение потенциальной ямы на границе Ge/Si. Фактически ние размера КТ к боровскому радиусу дырки становится последняя величина есть энергия электронного состоя- меньше 4. При увеличении размера КТ (в единицах ния в потенциальной яме нейтрального нанокластера Ge.

боровского радиуса) фактор перекрытия уменьшается.

Вывод о возможности достижения заметной величины силы осциллятора в КТ 2 типа был также сделан в 5. Экситонное поглощение результате анализа кинетики спада фотолюминесценции в массиве пирамидальных КТ GaSb/GaAs [7].

Пик поглощения, связанный с переходом электрона Измеренная абсолютная величина вероятности поглоиз валентной зоны КТ Ge в зону проводимости Si щения ( = 1.6 · 10-4) позволяет оценить эффекс образованием экситона, наблюдается при энергиях тивное сечение межзонного поглощения в КТ Ge как 760-770 мэВ [26,28]. В результате такого перехода форph = /2qd = 2.5 · 10-16 см2, где qd — плотность мируется основное состояние пространственно непрямоКТ. Эта величина более чем на порядок превосходит го экситона (дырка образуется в основном состоянии типичные значения сечений фотоионизации глубоких H0 в нанокластере Ge, электрон переходит в основное примесей в Si ( 10-17 см2) [32]. Этот факт является состояние E0 в Si вблизи гетерограницы). Пик поглоодним из свидетельств того, что полоса поглощения в щения меньшей интенсивности в области 850-860 мэВ области 750-850 мэВ не связана с дефектами или присвязывается с возбужденным экситоном: дырка и элекмесями в Si. Другим свидетельством в пользу развиватрон находятся в возбужденных состояниях H1 и E1.

емых представлений являются эксперименты по отжигу Ширина полосы составляла 50-70 мэВ и обусловлена, структур Ge/Si с КТ. Отжиг при 500Cв течение 30 мин по-видимому, флуктуациями формы и размера кластесохранял неизменной полосу поглощения 750-850 мэВ, ров Ge.

в то время как многие точечные дефекты в Si отжигаются при данной температуре, трансформируясь в более 5.1. Одиночный экситон сложные комплексы.

Из данных по оптическому поглощению была определена сила осциллятора f экситонного перехода в Ge/Si.

5.2. Многочастичные экситонные комплексы Эта величина равна 0.5 и оказалась приблизительно Существующие методы исследования структур с кванв 20 раз меньше силы осциллятора для прямых экситовыми точками поволяют создавать условия формитонов (в реальном и в k-пространстве) в структурах рования заряженных экситонов, а также нескольких InAs/GaAs с КТ, где f = 10.9 [29,30]. Сила осциллятора экситонного перехода пропорциональна квадрату инте- экситонов в одной КТ. Так, при инжекции дырок в структуры Ge/Si с КТ происходит их накопление грала перекрытия волновых функций электрона и дырки.

у потолка валентной зоны в нанокластерах Ge [28].

В структуре InAs/GaAs электрон и дырка находятся в одном и том же нанокластере. Поэтому перекры- В однократно заряженных КТ Ge был обнаружен сдвиг линии основного экситонного поглощения (H0-E0) на тие волновых функций является достаточно большим 11 мэВ в коротковолновую область. На рис. 3 показано и составляет 80% [31]. В соответствии с решением самосогласованной задачи для системы Ge/Si перекры- смещение пика экситонного поглощения в зависимости от среднего числа дырок, приходящихся на одну квантие волновых функций электрона и дырки составляет 15% [28]. Меньшее значение фактора перекрытия в си- товую точку. Энергия перехода резко возрастает, когда в основном состоянии КТ появляется дополнительная стеме Ge/Si по сравнению с InAs/GaAs является прямым следствием пространственного разделения электрона и дырка, в результате чего при поглощении кванта света дырки в структурах 2 типа. В то же время фактор образуется заряженный экситон: комплекс 2 дырки – перекрытия волновых функций в структурах 2 типа с электрон. Наблюдаемое синее смещение объясняется КТ является функцией величины барьера, разделяющего тем, что энергия экситонного перехода зависит от заэлектрон и дырку, а также размера КТ. Очевидно, что рядового состояния квантовой точки: рождение экситона бесконечный барьер соответствует полному разделению в квантовой точке, содержащей дырку, требует большей волновых функций и нулевому фактору перекрытия. Та- энергии, чем в нейтральной точке. Положительный знак кая ситуация практически не реализуется в обсуждаемых эффекта является характерной особенностью квантовых структурах, имеющих конечную величину барьера. точек 2 типа и означает, что энергия кулоновского Более интересна зависимость фактора перекрытия от взаимодействия между дырками Ehh (отталкивание) в размера КТ при постоянном (конечном) значении барье- квантовой точке превышает энергию взаимодействия ра. Волновая функция ”выдавливается” из объема КТ при дырки с электроном Eeh (энергия связи экситона).

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1148 А.В. Двуреченский, А.И. Якимов заполнение уровней дырок в КТ Ge и электронов в области гетерограницы со стороны Si неравновесными носителями. Таким образом, при оптическом поглощении излучения, вызывающем экситонный переход H0-E0 в структуре, содержащей один экситон, происходит образование биэкситона, в то время как при инжекции дырок в условиях оптического поглощения формируется комплекс экситон–дырка.

В условиях дополнительной подсветки был обнаружен больший по величине сдвиг линии экситонного поглощения в коротковолновую область, по сравнению с величиной сдвига при инжекции дырок в КТ. Если предположить, что при образовании комплекса экситон– экситон пара дырок находится в основном состоянии в КТ Ge, а пара электронов — в одной и той же потенциальной яме на границе раздела фаз, то энергия Рис. 3. Смещение пика экситонного поглощения в завивзаимодействия экситонов между собой возрастает на симости от среднего числа дырок, приходящихся на одну квантовую точку в структуре Ge/Si, при освещении (1) и величину:

инжекции дырок (2) для основного состояния экситона и для Eex-ex = Ehh + Eee - 2Eeh, возбужденного состояния экситона — (3).

где Eee — энергия взаимодействия электронов в КТ. Взяв экспериментальные значения Eex-ex = 20 мэВ (синее смещение экситонного поглощения при дополнительной Этот результат оказался противоположным полученподсветке), Ehh = 36 мэВ, Eeh = 25 мэВ, получим ным ранее данным для пространственно прямых эксиEee = 34 мэВ, т. е. Eee Ehh.

тонов в массивах КТ InAs/GaAs, в которых энергия Однако такой результат противоречит достаточно экситонного перехода уменьшается при образовании экочевидным представлениям. Радиус локализации дырки ситонных комплексов [29,30]. В случае прямых экси(дырка локализована в нанокластере Ge) должен быть затонов взаимодействие электрона и дырки доминирует, метно меньше радиуса локализации электрона вокруг КТ.

и смещение линии поглощения заряженного экситона Поскольку энергия взаимодействия обратно пропорционаблюдается в ”красную” сторону [29]. В КТ 2 типа, нальна размеру волновой функции, всегда должно выполвследствие пространственного разделения электрона и няться соотношение Eee < Ehh. Полученное в результате дырки, естественно ожидать, что Ehh > Eeh. Это оценки значение Eee = 34 мэВ свидетельствует о том, что приведет к сдвигу экситонной линии в коротковолновую сделанное предположение о нахождении двух электронов область при образовании заряженного комплекса.

в одной потенциальной яме является неверным. Если Добавочная энергия заряженного экситона по сравневторой электрон находится в другой потенциальной яме нию с нейтральным экситоном определяется разностью на гетерогранице, то в соотношение для Eex-ex должны Eex-h = Ehh - Eeh и равна величине смещения оптичедополнительно входить одночастичные значения энергии ского перехода 11 мэВ из эксперимента. Учитывая, что E1, E2 каждого электрона в своей потенциальной яме, Ehh = 36 мэВ [33], энергия взаимодействия электрона и причем соответствующие потенциальные ямы неэквивадырки составит Eeh = 25 мэВ. Эта величина согласулентны (см. разд. 4). В этом случае выражение для ется с результатами решения самосогласованной задачи.

Eex-ex должно содержать еще один положительный член Полученное значение Eeh почти на порядок превышает (E2 - E1), и полученная с помощью такого соотношения энергию связи свободного экситона в Ge и примерно в величина Eee может быть существенно меньше Ehh. Как 2 раза — в Si.

показано на основе расчетов электронной конфигурации Максимум оптического поглощения, соответствую- экситона (разд. 4), первый из двух электронов локализущий возбужденному состоянию экситона, смещается сла- ется в Si вблизи вершины пирамиды Ge, а второй — под бее в коротковолновую область при появлении дырки в основанием пирамиды.

основном состоянии КТ (рис. 3). Это является результа- Расчетная величина энергии взаимодействия двух том ослабления взаимодействия электрона и дырки за электронов оказалась равной Eee = 19 мэВ. Тогда счет уменьшения перекрытия их волновых функций в взяв известные значения для энергий взаимодействия состояниях с большим радиусом локализации.

Ehh = 36 мэВ, Eeh = 25 мэВ, получаем Eex-ex = 5мэВ.

Другой метод формирования экситонных комплексов Это означает, что если бы электроны имели одинаковые в одной КТ заключается в дополнительной подсвет- одночастичные энергии, то при формировании комплекса ке структуры излучением, обеспечивающим межзон- экситон–экситон линия экситонного поглощения сдвиганые переходы в процессе измерения спектров погло- лась бы всего на 5 мэВ. В эксперименте сдвиг состащения [28]. Дополнительная подсветка обеспечивает вляет 20 мэВ. Таким образом, в случае формирования Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Квантовые точки 2 типа в системе Ge/Si двух экситонов в одной КТ наблюдаемый ”синий” сдвиг связан с большей энергией размерного квантования для второго электрона по сравнению с первым электроном, причем наличие такой разницы в энергиях обусловлено локализацией двух электронов в неэквивалентных потенциальных ямах.

6. Отрицательная фотопроводимость Кроме пространственного разделения основного состояния экситона в квантовых точках Ge/Si, решение самосогласованной задачи по определению энергетического спектра электронов и дырок позволило получить результаты, на основе которых нами было предсказано и обнаружено экспериментально явление отрицательной межзонной фотопроводимости [34,35], заключающейся в уменьшении проводимости слоя с КТ при подсветке.

В большинстве известных данных по фотопроводимости (ФП) полупроводников, проводимость материала увеличивается при подсветке, обеспечивающей межзонные переходы. Оказалось, что в КТ, содержащей N дырок, может удерживаться N + 1 электронов, причем энергия добавочного электрона зависит от числа дырок.

Результаты расчета энергии связи (N + 1)-го электрона вблизи островка Ge в условиях, когда в островке уже находятся N дырок, в зависимости от числа дырок в Рис. 5. Зонная диаграмма гетероструктуры Ge/n-Si с квантоКТ приведены на рис. 4. Поскольку при межзонной выми точками Ge в темноте (a) и при освещении (b). Темные подсветке электроны и дырки возбуждаются парами (т. е.

кружки — электроны, светлые — дырки.

в равной концентрации), такое дополнительное (а значит, незаполненное) состояние будет являться ловушкой для равновесных электронов, находящихся в зоне проводитермической ионизации доноров. Как уже отмечалось, мости.

что даже в отсутствие в КТ дырок на гетерогранице Si/Ge Рассмотрим кремний n-типа, в который введены наносуществует мелкое состояние для электрона с энергией кластеры нелегированного Ge (рис. 5). В темноте провосвязи Et 9 мэВ вследствие неоднородных деформадимость системы определяется свободными электронами ций, приводящих к образованию потенциальной ямы для в зоне проводимости Si, попавшими туда в результате электрона (рис. 4). Поэтому равновесная концентрация электронов в зоне проводимости будет понижена за счет захвата электронов на этот уровень. При поглощении света, вызывающего межзонные переходы и образование пар электронов и дырок, дырки начнут накапливаться в КТ Ge, заряжая их положительно. В результате на гетерограницах Si/Ge в кремнии возникнут потенциальные ямы для электронов, в которых начнут аккумулироваться и фотоэлектроны (рис. 5, b). С ростом числа дырок в островках (при увеличении интенсивности освещения) энергия залегания ”избыточного” электронного уровня увеличивается (при N < 3) (рис. 4). Поскольку по мере заглубления уровня степень его заполнения электронами растет, концентрация электронов в зоне проводимости должна уменьшиться, а проводимость системы снизиться.

Впервые отрицательный фотоэффект в полупроводниках наблюдался А.Ф. Иоффе и А.В. Иоффе, которые Рис. 4. Энергия связи N + 1 (избыточного) электрона на показали, что в случае сильного приповерхностного границе раздела фаз Ge/Si в зависимости от числа дырок N в нанокластере Ge [28]. поглощения света возможна ситуация, когда основные Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1150 А.В. Двуреченский, А.И. Якимов носители рекомбинируют в поверхностном слое, а диффундирующие в объем неосновные носители вызывают усиленную рекомбинацию в объеме, т. е. снижение объемной проводимости [36]. Поскольку в нашем случае время рекомбинации носителей в приповерхностном слое с КТ больше, чем в объеме Si [35], этот механизм не реализуется.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |



© 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.