WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 10 Вольтъемкостное профилирование барьеров Шоттки Au / n-GaAs, содержащих слой самоорганизованных квантовых точек InAs © П.Н. Брунков, А.А. Суворова, Н.А. Берт, А.Р. Ковш, А.Е. Жуков, А.Ю. Егоров, В.М. Устинов, А.Ф. Цацульников, Н.Н. Леденцов, П.С. Копьев, С.Г. Конников, Л. Ивс, П.С. Майн Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Физический факультет, Университет Ноттингема, NG7 2RD Ноттингем, Великобритания (Получена 24 февраля 1998 г. Принята к печати 26 февраля 1998 г.) Проводились вольтъемкостные исследования профиля распределения свободных носителей в однородно легированной матрице n-GaAs с барьером Шоттки на поверхности, содержащей слой самоорганизованных квантовых точек InAs. Установлено, что наблюдается аккумуляция электронов на глубине 0.54 мкм, совпадающей с геометрическим положением слоя квантовых точек. С понижением температуры измерения ниже 90 K в профиле появляется второй пик на глубине 0.61 мкм, который при дальнейшем понижении температуры становится доминирующим. Показано, что появление второго пика в профиле распределения свободных носителей не связано с перераспределением электронной плотности по глубине структуры и наблюдается в случае, когда темп термической эмиссии электронов из квантовых точек в зону проводимости GaAs становится значительно меньше угловой частоты измерительного сигнала емкости.

В настоящее время проявляется значительный интерес отражение [13]. Благодаря малой толщине GaAs между к приборным полупроводниковым гетероструктурам на слоями квантовых точек InAs каждый предыдущий слой основе самоорганизованных квантовых точек (КТ), в КТ точек служит как источник упругого напряжения которых движение квазичастиц квантовано по всем трем при формировании последующего слоя КТ [14,15]. В координатам и спектр плотности представляет собой результате происходит образование квантовых точек, набор -функций [1]. Авторами работ [2,3] была про- упорядоченных в направлении роста. Массив квантовых демонстрирована высокая эффективность инжекционных точек был помещен в середину нелегированного слоя лазеров с активной областью, содержащей КТ. Совсем GaAs толщиной 200, выращенного на буферном слое недавно была показана принципиальная возможность со- GaAs, легированном Si до уровня n 2 1016 см-здания элементов оптической памями [4], оптической би- с толщиной 1 мкм. Рост структуры был завершен осаждением слоя GaAs (n 2 1016 см-3) с толщиной стабильности [5] и резонансно-туннельных структур [6,7] на основе КТ. Для разработки нового поколения прибо- 0.5 мкм.

ров микро- и опто-электроники представляется необхо- Измерения C-V -характеристик проводились в диападимым проведение исследований влияния КТ на элек- зоне частот от 10 кГц до 1 МГц с помощью емкостного моста HP4274A в интервале температур от T = 4.трофизические свойства полупроводниковых структур.

Емкостная спектроскопия зарекомендовала себя как до- до 300 K. Амплитуда измерительного сигнала составляла 10 мВ. Гелиевый криостат имеет встроенный сверхпростаточно эффективный метод изучения свойств структур водящий магнит, позволяющий изменять магнитное поле с КТ [8–12]. В данной работе представлены результаты вольтъемкостных (C-V) исследований профиля распре- от 0 до 12 Тл.

Исследования структуры образцов проводились методеления свободных носителей в однородно легированной дом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) матрице n-GaAs, содержащей слой самоорганизованных с помощью электронного микроскопа Philips EM 420 с квантовых точек InAs.

ускоряющим напряжением 100 кВ.

Измерения спектров фотолюминесценции (ФЛ) проОбразцы и методы исследования водились при T = 77 K с использованием непрерывного гелий-неонового лазера с длиной волны 632.8 нм, Исследуемые структуры выращивались методом монохроматора и охлаждаемого фотоумножителя, рамолекулярно-пучковой эпитаксии на установке Riber 32P ботающего в режиме счета числа фотонов. Плотность с твердотельным источником мышьяка на n+-подложке возбуждения была на уровне 1 Вт / см2.

GaAs (100). Массив квантовых точек InAs состоит из трех слоев, находящихся на расстоянии 50 друг Экспериментальные данные от друга, каждый из которых сформирован in situ в результате трансформации упругонапряженного слоя и обсуждение результатов InAs с эффективной толщиной 5 в массив островков.

Переход от двухмерного к трехмерному распределению На рис. 1, a приведены C-V-характеристики структуInAs на поверхности GaAs контролировался по ры с квантовыми точками InAs / GaAs, измеренные на изменению картины дифракции быстрых электронов на частоте 1 МГц при разных температурах. Пользуясь при1230 П.Н. Брунков, А.А. Суворова, Н.А. Берт, А.Р. Ковш, А.Е. Жуков, А.Ю. Егоров, В.М. Устинов...

ближением обедненного слоя, из C-V -характеристики рассчитываем профиль распределения концентрации свободных носителей (NCV -W ) (рис. 1, b):

C3 NCV (W ) =, W = A, (1) dC C q0 dV где 0 — абсолютная диэлектрическая проницаемость, — диэлектрическая проницаемость полупроводника, W — ширина области пространственного заряда, A — площадь барьера Шоттки.

Аккумуляция носителей в массиве КТ приводит к появлению характерной ступеньки на C-V-зависимости (рис. 1, a) и пику в профиле распределения свободных носителей NCV -W на глубине 0.54 мкм (рис. 1, b), положение которого соответствует глубине залегания массива КТ, полученной из ПЭМ измерений. С понижением температуры от 200 до 77 K наблюдается увеличение ширины ступеньки в C-V -характеристике (рис. 1, a) и рост амплитуды пика профиля NCV -W (рис. 1, b), что соответствует увеличению концентрации электронов, локализованных в массиве КТ. Ранее было показано, что этот процесс обусловлен повышением положения уровня Ферми в матрице GaAs [10,11].

Рис. 2. Светлопольные ПЭМ изображения: поперечного сечения (g = 200) (a) и в планарной геометрии (b) структуры с квантовыми точками InAs / GaAs.

Однако дальнейшее понижение температуры до 15 K приводит к уменьшению, а затем и полному подавлению ступеньки в C-V -характеристике (рис. 1, a).

При этом в профиле NCV -W подавляется пик при W = 0.54 мкм и появляется второй пик на глубине W = 0.61 мкм (рис. 1, b). Следует отметить, что в исследуемых образцах на глубине W = 0.61 мкм отсутствуют какие-либо структурные неоднородности (рис. 2, a).

Согласно модели, основанной на решении одномерного уравнения Пуассона [10–12], ширина ступеньки на C-V-характеристике зависит от концентрации электронов, находящихся в слое квантовых точек Qqd, которая в свою очередь определяется при заданной температуре концентраций квантовых точек Nqd и функцией Ферми–Дирака, зависящей от относительного положения электронного уровня (Eqd) в КТ и уровня Ферми (EF) в матрице GaAs. Двумерная концентрация кванРис. 1. C-V - (a) и NCV -W - (b) характеристики структуры с товых точек Nqd была измерена с помощью ПЭМ и квантовыми точками InAs / GaAs, измеренные при f = 1МГц.

T, K: 1 — 200, 2 — 77, 3 — 30, 4 — 15. составляет 5 1010 см-2 (рис. 2, b). Плотность состоФизика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Вольтъемкостное профилирование барьеров Шоттки Au / n-GaAs, содержащих слой... го с электронно-дырочной рекомбинацией в квантовых точках [1], равна 60 мэВ. Таким образом, концентрация электронов в слое КТ может быть записана как [12] exp 2Nqd -2(E - Eqd)2/(E)Qqd = dE, (2) E 1 + exp (E - EF)/kT где k — постоянная Больцмана.

Данная модель достаточно хорошо описывает C-V -характеристики для T > 77 K (рис. 4, a, b) при следующих значениях параметров: Nqd = 5 1010 см-2, Eqd = 70 мэВ, Eqd = 70 мэВ и dcap = 0.52 мкм.

Следует отметить, что концентрация квантовых точек Nqd и толщина верхнего слоя dcap, определенные Рис. 3. Спектр фотолюминесценции (1) структуры с кваниз анализа C-V-характеристик, достаточно хорошо товыми точками InAs / GaAs при T = 77 K. Сплошная лисовпадают с данными ПЭМ (рис. 2, b). Однако ния (2) — аппроксимация экспериментальных данных функцизначительное расхождение экспериментальных C-V ей Гаусса с E = 60 мэВ и значением в максимуме 1.22 эВ.

и NCV -W-характеристик с расчетами наблюдается при температурах ниже 77 K, когда ступенька на C-V-характеристике подавляется и возникает второй пик в профиле NCV -W при W = 0.61 мкм яний в слое КТ может быть описана функцией Гаусса (рис. 4, c, d). По нашему мнению, это не связано с в связи с неоднородностью размера квантовых точек.

перераспределением электронной плотности по струкВеличина дисперсии функции плотности состояний в КТ E, определенная из анализа ФЛ (рис. 3), связанно- туре, а обусловлено тем, что в используемой модели Рис. 4. C-V- и NCV -W-характеристики структуры с квантовыми точками InAs / GaAs при T = 77 K (a и b) и T = 15 K (c и d):

экспериментальные данные (открытые символы) и модельные расчеты (сплошные линии) при Nqd = 5 1010 см-2, Eqd = 70 мэВ и Eqd = 80 мэВ. Штриховой линией (c и d) показаны модельные расчеты при T = 15 K, когда концентрация электронов nqd в КТ фиксирована и не зависит от напряжения обратного смещения Vrev.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1232 П.Н. Брунков, А.А. Суворова, Н.А. Берт, А.Р. Ковш, А.Е. Жуков, А.Ю. Егоров, В.М. Устинов...

малым, что dQqd будет значительно больше, чем dQ3D, т. е. Cqd превалирует над C3D в диапазоне напряжений от -2 до -3.5В (рис. 5, c).

Измерения показывают (рис. 1, a), что с уменьшением температуры ниже 70 K емкость Cqd подавляется и при T = 15 K исчезает полностью, тогда как из расчета следует, что заполнение электронами слоя КТ стремится к насыщению в этом диапазоне температур [10,11]. Это расхождение связано с тем, что данная модель предполагает, что положение уровня Ферми в массиве КТ совпадает с уровнем Ферми в матрице GaAs. Выполнение этого условия зависит от темпа обмена электронами между КТ и объемным GaAs. Известно, что самоорганизованные КТ характеризуются очень высоким темпом захвата носителей заряда [1]. Поэтому соотношение уровней Ферми в КТ и объемном материале будет в значительной степени определяться процессом эмиссии носителей из КТ. Таким образом подавление емкости Cqd при низких температурах может быть связано с тем, что темп термической эмиссии электронов из КТ (en) значительно меньше угловой частоты измерительного сигнала 2 f, т. е. происходит ”вымораживание” электронов на уровнях в КТ. Этот эффект является проявлением Рис. 5. C-V- (a) Qqd-V - (b) и Cqd-V - (c) характеристики нуль-мерной природы состояний в КТ и не наблюдался структуры с квантовыми точками InAs / GaAs, рассчитанные в структурах с квантовыми ямами [16]. Для моделиропри T = 77 K, Nqd = 5 1010 см-2, Eqd = 70 мэВ и вания данной ситуации были проведены расчеты C-V - и Eqd = 70 мэВ.

емкость структуры рассчитывается на основании квазистатического приближения:

C =Q/V, (3) т. е. пренебрегается временной зависимостью изменения заряда Q, вызванного изменением напряжения V. Однако измерения емкости осуществляются посредством наложения малого осциллирующего сигнала (dVosc) с частотой f на постоянное обратное смещение (Vrev). Измерительный сигнал dVosc модулирует заряд на краю области пространственного заряда (dQ3D), сформированной барьером Шоттки, а также в слое КТ, когда уровень Ферми пересекает электронный уровень в КТ (dQqd). Поэтому емкость структуры с КТ состоит из двух частей [12]:

dQ3D dQqd(Eqd - EF) C = C3D + Cqd = +, (4) dV dV где C3D — объемная емкость, а Cqd — часть емкости, связанная со слоем КТ.

Расчеты C-V -характеристик структуры с КТ показывают, что область квазипостоянной емкости от -2 до -3.(рис. 5, a) связана с линейным уменьшением концентрации электронов в плоскости КТ с увеличением обратного Рис. 6. C-V - (a) и NCV -W - (b) характеристики структуры с напряжения (рис. 5, b). При этом изменение ширины квантовыми точками InAs / GaAs, полученные при T = 29 K области пространственного заряда dW, вызванного измедля разных частот измерительного сигнала f, кГц: 1 — 10, нением напряжения смещения на dV, становится столь 2 — 100, 3 — 1000.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Вольтъемкостное профилирование барьеров Шоттки Au / n-GaAs, содержащих слой... тельного сигнала одна часть КТ характеризуется высоким темпом термической эмиссии, когда en 2 f, а другая — низким темпом термической эмиссии (en 2 f ).

Уменьшение частоты измерительного сигнала от 1 МГц до 10 кГц при T = 28 K приводит к увеличению количества КТ, удовлетворяющему условию en 2 f, при этом в C-V-характеристике увеличивается ступенька (рис. 6, a), а в профиле NCV -W происходит увеличение пика при W = 0.54 мкм и подавляется пик при W = 0.61 мкм (рис. 6, b).

Магнитное поле до 12 Тл оказывает слабое влияние на уровни электронов в КТ [17], однако приводит к формированию уровней Ландау в зоне проводимости GaAs и, как следствие этого, повышению низшего возможного состояния в зоне проводимости GaAs на Ec = c/2 10 мэВ, где c — циклотронная энергия. Это приводит к эффективному заглублению электронного уровня в КТ [17,18] и проявляется в уменьшении ширины ступеньки в C-V-характеристике (рис. 7, a) и увеличении амплитуды пика при W = 0.61 мкм в профиле NCV -W (рис. 7, b). Следует отметить, что этот эффект не зависит от ориентации магнитного поля, что связано с нуль-мерной природой квантовых состояний в КТ. Влияние магнитного поля не проявляется при T > 70 K, когда kT Ec.

Рис. 7. C-V - (a) и NCV -W - (b)- характеристики структуры с квантовыми точками InAs / GaAs, полученные при T = 17 K и f = 10 кГц для разных значений магнитного поля. B, Тл: 1 —0, 2 —8.1, 3 — 12. Вектор напряженности магнитного поля B Заключение ориентирован перпендикулярно поверхности образца.

В данной работе представлены исследования C-V профиля однородно легированной матрицы n-GaAs с барьером Шоттки на поверхности, содержащей слой саNCV -W-характеристик при T = 15 K, при условии, что моорганизованных квантовых точек InAs. Установлено, концентрация электронов в КТ не зависит от обратного что наблюдается аккумуляция электронов на глубине напряжения. При этом наблюдается достаточно хорошее 0.54 мкм, совпадающей с геометрическим положением соответствие между экспериментальными и расчетными слоя КТ. С понижением температуры измерения ниже C-V-характеристиками (рис. 4, c).

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.