WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 10 Исследование захвата электронов квантовыми точками с помощью нестационарной спектроскопии глубоких уровней © М.М. Соболев, И.В. Кочнев, В.М. Лантратов, Н.Н. Леденцов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 23 января 2001 г. Принята к печати 24 января 2001 г.) Сообщается о результатах исследований с помощью нестационарной спектроскопии глубоких уровней процессов эмиссии и захвата электронов квантовыми точками в p-n-гетероструктурах InGaAs/GaAs в зависимости от условий изохронного отжига при включенном/выключенном напряжении смещения (Ura < 0 Ura = 0). Эти исследования позволили установить, что при отжиге с Ura < 0 происходит формирование диполя, образованного носителями, локализованными в квантовых точках, и ионизованными дефектами решетки. Электростатический потенциал этого диполя уменьшает барьер эмиссии и захвата электрона квантовой точкой. При отжиге с Ura = 0 образования диполя не происходит, величина разрыва зон определяется условиями формирования гетерограницы при росте структуры. Обнаружена также зависимость высоты барьера захвата от длительности импульса заполнения, которая связывается с проявлением эффекта кулоновской блокады для захвата электронов на основное и возбужденное состояния квантовой точки.

Исследуемые структуры с квантовыми точками выращивались методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений за счет эффектов самоорганизации.

1. Введение с помощью DLTS-метода был обнаружен эффект кулоновского взаимодействия локализованных в КТ носителей с ионизованными дефектами решетки, располоКвантовые точки (КТ), получаемые методом саможенными в ближайшей окрестности с КТ. Дефекты организованного роста гетероэпитаксиальных напряженобразуются в процессе формирования квантовых точек ных слоев, находят все большее применение в качестве In(GaAs) и роста эпитаксиальных слоев GaAs. Было лазеров [1]. Однако существенного улучшения харакпоказано, что при этом происходит образование электротеристик лазеров с КТ не всегда удается достигнуть, статического диполя, встроенный потенциал которого что может быть обусловлено, в частности, наличием изменяет высоту потенциального барьера для эмиссии энергетического потенциального барьера для захвата ноносителей из КТ. Образование диполя зависело от сителей КТ. Наличие такого барьера может существенно условий изохронного термического отжига при вклюсказаться и на работе одноэлектронных транзисторов и ченном/выключенном напряжении обратного смещения элементов памяти [2,3]. На возможность существоваи освещения белым светом. После проведения отжиния потенциального барьера на границе InAs и GaAs, га в DLTS-спектрах наблюдались изменения положения ограничивающего захват носителей КТ, было обращено пиков, связанных с эмиссией носителей из квантовых внимание в работах [4,5] при расчете распределения состояний точек. Представляется интересным исследонапряжения вокруг пирамидальной InAs-квантовой точвать с помощью DLTS-метода также энергию барьера для ки. При проведении исследований слоев с квантовыми захвата электрона в зависимости от условий изохронных точками InAs/GaAs с помощью сканирующего просвечиотжигов.

вающего микроскопа было обнаружено [6], что граниВ данной работе представлены результаты ца между КТ и GaAs-матрицей нерезкая и существует DLTS-исследований процессов эмиссии и захвата ограничивающий слой InxGa1-xAs, где потенциал слегэлектронов квантовыми состояниями точек InGaAs/GaAs ка изменяется. Недавно появилась работа [7], в котов зависимости от условий изохронного отжига при вклюрой с помощью метода нестационарной спектроскопии ченном/выключенном напряжении смещения (Ura < 0, глубоких уровней (DLTS) были проведены измерения, Ura = 0). Исследовано влияние на величину высоты бапозволившие определить сечения теплового захвата норьера захвата электронов квантовой точкой встроенного сителей и энергии активации сечения захвата самооргаэлектростатического потенциала диполя, образованного низованными квантовыми точками InGaAs/GaAs. Было носителями, локализованными в квантовых точках, продемонстрировано, что носителям для их захвата КТ и ионизованными дефектами решетки в зависимости необходимо преодолеть энергетический барьер, который, от условий изохронного отжига. Определено влияние по мнению авторов работы, обусловлен встроенным кулоновской блокады на захват электронов на основное напряжением самоорганизованной системы, приводящим и возбужденное состояния. Исследуемые структуры с к образованию пика на границе InAs и GaAs в плоско- квантовыми точками выращивались методом газофазной сти ограничивающего потенциала для носителей вдоль эпитаксии из металлорганических соединений (ГФЭ направления роста. В наших прежних работах [8–13] МОС) за счет эффектов самоорганизации.

Исследование захвата электронов квантовыми точками с помощью нестационарной... 2. Образцы и методы исследования опубликованы в работах [12,13] и поэтому в этой статье не приводятся. Энергии термической активации Ea и Исследуемая в работе гетероструктура InGaAs/GaAs сечения захвата ловушек n, если не оговаривается спебыла получена методом ГФЭ МОС с использованием циально, определяли с применением метода окна темпов горизонтального реактора низкого давления (76 Торр).

в стандартных DLTS-измерениях.

Триметилгаллия, триметилалюминия, этилдиметилиндия и арсин использовались в качестве источников 3. Результаты основных компонент и Cp2Mg для p-типа легирования GaAs. Температура роста структуры была 480C. На На рис. 1 приведены спектры DLTS, измеренные при подложке n+-GaAs выращивался нелегированный слой различных условиях предварительного изохронного отGaAs (n = 3 · 1015 см-3) толщиной 0.5 мкм. После этожига (Ura = 0 и Ura < 0) в темноте (кривые 1, 2).

го осаждался слой InGaAs с прерыванием после роВо всех измеренных спектрах DLTS наблюдаются три ста слоя квантовых точек InGaAs. Далее произвохорошо различимых пика. Параметры уровней, соответдилось осаждение на КТ тонкого слоя GaAs толщиствующих DLTS-пикам, приведены в таблице. Пик ED3, ной 50 с последующим увеличением температуры энергия термической активации которого Ea = 667 мэВ, до 600C и отжигом in situ в течение 10 мин. Заа сечение захвата электронов n = 7.4 · 10-14 см-2, как тем при температуре 480C происходило осаждение было показано в [12,13], близок по параметрам к дефекслоя n-GaAs (n = 3 · 1015 см-3) толщиной 0.5 мкм.

ту E4 [15]. Он образуется в GaAs при радиационном Для создания p-n-перехода слой n-GaAs был покрыт облучении и связывается с кластером, в состав которого при той же температуре слоем легированного p+-GaAs входят вакансии мышьяка VAs и дефект перестановки толщиной 0.1 мкм. Проведенный нами отжиг in situ (antisite defect) AsGa, и располагается в ближайшей слоя InGaAs в гетероструктурах InGaAs/GaAs, как было окрестности КТ. Пики ED2 (ED2#), как было установпервые показано в наших прежних работах [12–14], влено в [12,13], связываются с основным состоянием способствует получению бездислокационных квантовых квантовой точки. Что касается DLTS-пиков ED1 (ED1#), точек, кроме того, приводит к исчезновению EL2 и ELто они могут иметь отношение как к возбужденному дефектов, связанных с образованием дислокаций, и более состоянию квантовой точки, так и к состоянию кванчем на порядок уменьшает концентрации остальных товой ямы смачивающего слоя. Положение пиков EDточечных дефектов, являющихся центрами безызлуча(ED1#), и ED2 (ED2#) в спектрах DLTS зависит от услотельной рекомбинации. Исследование глубоких ловувий предварительного изохронного отжига. При отжиге шек в гетероструктурах методом DLTS производилось с Ura < 0 энергия термической активации и сечения с помощью спектрометра DL4600 фирмы BIO-RAD, захвата уровней, связанные с пиками ED1 и ED2, были работающего в режиме двухстробного интегрирования.

соответственно: Ea = 122 мэВ, n = 2.3 · 10-15 см2 и Для измерения емкости использовался мост BoontonEa = 347 мэВ, n = 4.5 · 10-16 см2. Отжиг с Ura = 0 при72B, работающий на частоте 1 МГц. Чувствительность водил к смещению DLTS-пиков в область более высоких этой установки равна C/C0 10-4. Для проведетемператур. Этим положениям DLTS-пиков соответствония измерений на подложку n+-GaAs и слой p+-GaAs вали уровни ED1# и ED2# с параметрами: Ea = 156 мэВ, были термически осаждены омические контакты. Перед n = 1.8·10-13 см2 и Ea = 369 мэВ и n = 7.2·10-16 см2.

каждым DLTS-измерением образец изохронно отжигался При измерении спектров DLTS с разными темпами окон в течение 1 мин при фиксированной температуре при помимо смещения положения максимумов ED1 (ED1#) приложенном (Ura < 0) или нулевом (Ura = 0) наи ED2 (ED2#)-пиков по температуре мы наблюдали пряжении обратного смещения. Предварительно образец изменение их амплитуд. Как было показано в рабонагревался до 450 K и выдерживался в течение 1 мин тах [7,16], эти вариации в амплитудах DLTS-пиков происс напряжением обратного смещения Ura = 0, если ходят при большой температурной зависимости сечения отжиг проводился при Ura < 0, а затем охлаждался до захвата носителей и связываются с фактором заполнения температуры отжига. При отжиге с Ura = 0 образец ловушек. В этих же работах были предложены способы выдерживался предварительно с Ura < 0. Температура отжига варьировалась в пределах (80-450) K. После этого образец охлаждался до T = 80 K при Ura < 0 или Параметры глубоких уровней дефектов, квантовых состояний Ura = 0. Далее начинался процесс DLTS-измерений в точек и квантовых состояний ямы темноте, если это не оговаривалось предварительно, или Наименование Энергия Сечение Идентификация при освещении белым светом. Для определения профиля уровней Ea, мэВ захвата n, см2 уровней распределения носителей в гетероструктуре были проведены вольт-фарадные (C-V ) измерения. Результаты этих ED1 122 2.3 · 10-измерений, а также фотолюменесцентных и структурных ED1# 156 1.8 · 10-исследований для этой структуры, которые позволили ED2 347 4.5 · 10-ED2# 369 7.2 · 10-определить область пространственной локализации КТ ED3 667 7.4 · 10-14 E4 [15] и условия наблюдения их в спектрах DLTS, были ранее Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1230 М.М. Соболев, И.В. Кочнев, В.М. Лантратов, Н.Н. Леденцов Температурные зависимости сечением захвата были измерены, варьируя темп окон. Диапазоны температур, при которых были определены значения сечений захвата Рис. 1. Спектры DLTS p-n-гетероструктуры InGaAs/GaAs с квантовыми точками при напряжении импульса обратного смещения Ur = 0.5 В и амплитуды импульса заполнения Up = 0 после изохронного отжига при Ta = 450 K при условии Рис. 2. Зависимость амплитуды нормализованного DLTS-сигохлаждения: 1 — Ura = 0, 2 — Ura < 0. Все спектры получены нала от длительности импульса заполнения при различных для окна темпов эмиссии 200 с-1 и длительности импульсов температурах, K: 1 — 252.7, 2 — 241.6, 3 — 238.7, 4 — 222.заполнения 25 мкс.

при изохронном отжиге с Ura = 0.

DLTS-измерений и обработки их сигналов, позволяющие определять параметры теплового захвата ловушки (тепловое сечение захвата и энергию активации E, вычисленную из сечения захвата), которые применимы и для сильно неэкспоненциального процесса релаксации. При определении измерялась зависимость высоты DLTSпиков от ширины импульса заполнения tp. Кинетика захвата в этом случае определяется соотношением [7,16] S(tp) =Ssat 1 - exp(-cntp), (1) где S(tp) — высота DLTS-пика; Ssat — высота DLTS-пика, когда ловушки полностью заполняются носителями;

cn — темп захвата, связанный с тепловым сечением захвата, тепловой скоростью th и концентрацией свободных носителей n соотношением cn = thn. Мы полагали, что n приблизительно равна концентрации легирования. Кривые зависимостей (1 - S(tp)/Ssat) tp, определенные из высот DLTS-пиков ED2 и ED2#, измеренных при различных условиях предварительного изохронного отжига (Ura = 0 и Ura < 0), приведены соответственно на рис. 2 и 3. Экспериментальные кривые Рис. 3. Зависимость амплитуды нормализованного DLTS-сигдемонстрируют наличие двух экспоненциальных участнала от длительности импульса заполнения при различных ков: быстрого (в диапазоне изменения tp =(1-5) мкс) и температурах, K: 1 — 256.6, 2 — 245.7, 3 — 242.0, 4 — 227.медленного (в диапазоне изменения tp =(1-100) мкс). при изохронном отжиге с Ura < 0.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Исследование захвата электронов квантовыми точками с помощью нестационарной... параметры их теплового захвата. Однако это не помешало установить, что экспериментальные кривые зависимостей (1 - S(tp)/Ssat) tp демонстрируют наличие только одного экспоненциального участка — в диапазоне изменения tp =(1-5) мкс; при tp > 5мкс наблюдалось насыщение.

4. Обсуждение результатов Наблюдаемые изменения пика ED2 в спектрах DLTS (рис. 1) после изохронных отжигов, как было установлено в [12,13], определяются электростатическим диполем с кулоновским взаимодействием, образуемым локализованными в КТ электронами и ионизованными глубокими донорными уровнями дефектов. При изохронном отжиге с температурой 450 K и последующем охлаждении с Ura < 0 до 80 K глубокие донорные уровни и квантовые состояния точек остаются ионизованными. После подачи импульса заполнения при низких температурах в процессе измерения спектра DLTS электроны захватываются на квантовые состояния точек.

Рис. 4. Температурная зависимость сечения захвата электроВ то же время глубокие донорные уровни дефектов нов квантовой точкой, определенная при изохронном отжиге с самозахватывающей (self-trapped) конфигурацией [17] с Ura = 0 (1, 3) и Ura < 0 (2, 4). 1, 2 — для длительности остаются ионизованными, так как энергия электрона импульса заполнения tp =(1-5) мкс, 3, 4 —для tp > 5мкс.

при низких температурах недостаточна для преодоления потенциального конфигурационного барьера и захвата его на этот уровень. Между близко расположенными для уровней ED2 и ED2#, были равны соответственно положительно заряженными глубокими донорными де224.7-256.3 и 229.5-260.5 K. Предполагая, что для нефектами и локализованными в квантовой точке электробольших диапазонов изменения температур, при которых нами образуется диполь, электрическое поле которого определялись сечения захвата, значения n и Ssat не направлено в ту же сторону, что и поле p-n-перехода.

зависят от температуры, а тепловая скорость th зависит Энергия термической активации электронов с квантоот температуры, как T1/2, для термоактивационного вого состояния уменьшается в результате действия попроцесса захвата становится справедливым соотношение левого эффекта. При отжиге с температурой 450 K и последующем охлаждении с Ura = 0 свободные элек = exp(-E/kBT), (2) троны, находящиеся в зоне проводимости, будут иметь достаточно энергии для того, чтобы преодолеть барьер где — сечение захвата носителя ловушкой при и быть захваченными глубокими донорными ловушками.

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.