WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |

После того как псевдоморфизм срывается, эта сверхструктура превращается либо в Ge(111)-(7 7)Si, либо в Ge(111)-(2 8). Последняя характеризует атомарночистую поверхность (111) объемного Ge. Следовательно, структура (5 5) является признаком существования в пленке механических напряжений, релаксация которых может стимулировать формирование островков.

В процессе роста пленки GexSi1-x на подложках Si(001) на поверхности обычно присутствуют сверхструктуры (2 1) и (2 8). На основе анализа изменения дифракционных картин в процессе роста Ge-на-Si нами [98] была построена фазовая диаграмма, представленная на рис. 12. После формирования островков обнаруживаются фасетки (рис. 12) с гранями {105}, {118} и {311} [47,101–103]. Соответственно в этом случае признаком формирования островков является появление на картине ДБЭ тяжей от соответствующих кристаллических граней.

Форма осцилляций зеркального рефлекса картины дифракции электронов, наблюдаемой в процессе роста, является еще более чувствительной к морфологическим перестройкам на поверхности растущей пленки. Сама по себе высокая чувствительность зеркального рефлекса к морфологии обостряется, когда дифракция осуществляется в условиях поверхностного резонанса [104].

Рис. 13. Зависимость дифференциальной проводимости вертиВ этих случаях появление островков сопровождается кальных двухбарьерных структур с квантовыми точками Ge от резким уменьшением интенсивности зеркального ренапряжения: a — для симметричной структуры (толщина обофлекса, что дает возможность точно определить этот их Si барьеров 9 нм), b — асимметричной (барьеры толщиной момент. и 9 нм).

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1292 О.П. Пчеляков, Ю.Б. Болховитянов, А.В. Двуреченский, Л.В. Соколов, А.И. Никифоров...

метод спектроскопии по отношению к массивам самоорганизующихся КТ был применен в работе [6]. Исследуемая структура представляла собой два параллельных электрода (сильно легированные бором слои Ge0.3Si0.7), между которыми через туннельные барьеры (прослойки Si) был заключен слой нанокристаллов Ge [105].

Зависимость дифференциальной проводимости от напряжения показана на рис. 13. Верхняя часть рисунка соответствует симметричным кремниевым барьерам (оба толщиной 9 нм). В нижней части приведен спектр проводимости для случая, когда один из барьеров тоньше другого (в данном конкретном случае толщины и 6 нм), причем отрицательная полярность соответствует ситуации, когда носитель (дырка) вначале проходит через тонкий барьер, а затем через толстый. В обоих случаях наблюдаются отчетливые осцилляции туннельной проводимости структур, свидетельствующие о суРис. 14. Вольт-фарадные характеристики гетероструктур ществовании хорошо разрешенного дискретного спектра Ge–Si (001) с различной эффективной толщиной (deff) слоя Ge.

в островках Ge. Причем осцилляции вблизи нулевого Температура измерения T = 300 K. Цифрами у кривых указана смещения сопровождаются появлением области с от- величина deff в монослоях (ML).

рицательной дифференциальной проводимостью, являющейся характерной чертой резонансного туннелирования. В случае симметричной конфигурации барьеров При совпадении уровня Ферми в контакте с энергией (верхняя часть рис. 13) осцилляции проводимости почти связанного состояния в КТ дифференциальная емкость симметричны относительно нуля и имеют характерный C(Vg) =dQ/dVg должна иметь пик, свидетельствующий период 150 мВ, что позволяет оценить расстояние о наличии дискретного уровня энергии. Полная между уровнями размерного квантования в островках емкость структуры представляет собой сумму двух как 150/2 = 75 мВ.

вкладов: первый обусловлен наличием области В асимметричной структуре в области отрицательного пространственного заряда в окружающем островки смещения происходит расщепление пиков проводимости материале (в данном случае это кремний), второй на серию осцилляций с меньшим периодом. При такой вклад (CQD) связан с перезарядкой квантовых точек.

полярности напряжения ввиду сильной разницы коэффиВ исследованных структурах с барьером Шоттки изциентов прохождения левого и правого барьеров происменялась эффективная толщина слоя deff [108]. Струкходит накопление дырок в островках, и существенными туры представляли следующую последовательность слостановятся процессы кулоновских корреляций носитеев, начиная от подложки: 1) p+-подложка кремния лей, обусловленные их взаимодействием. Кулоновское с ориентацией (100), служащая нижним электричевзаимодействие ”снимает” вырождение одночастичных ским контактом; 2) слой Si0.5Ge0.2 толщиной L = 10 нм, уровней размерного квантования, поскольку дырке треобеспечивающий резкую гетерограницу последующего буется преодолевать энергию электростатического оттуннельного барьера Si; 3) туннельно-прозрачный баталкивания носителей, уже находящихся в КТ. Подобный рьер Si, p = 7 · 1016 см-3, L = 7нм; 4) слой нанокриэффект, наблюдавшийся ранее в туннельных переходах сталлов Ge; 5) блокирующий слой Si, p = 7 · 1016 см-3, через металлические гранулы в виде ступенчатых вольтL = 50 нм; 6) управляющий заполнением островков элекамперных характеристик, получил название ”кулоновтрод из Al, формирующий на границе с кремнием барьер ской лестницы” [106]. Из расстояния между пиками Шоттки; площадь алюминиевой площадки составляла проводимости можно оценить корреляционную энергию 8 · 10-3 см2, по размеру которой вытравливалась цидырок в островках: EC 35 мэВ в основном состоянии и линдрическая меза-структура на глубину порядка 5 мкм.

EC 18 мэВ в первом возбужденном состоянии.

Вольт-фарадные (C-V ) характеристики структур без 4.1.2. Емкостная туннельная спектроскопия.

слоя Ge имели обычный вид для обедненного слоя Si В основе емкостной спектроскопии КТ лежит тот факт, p-типа (рис. 14). В случае deff = 2 монослоя (МС) что заряд в нуль-мерных системах может изменяться на характеристиках появляется плато, характерное для только дискретным образом на величину Q = eN, где двумерного (2D) газа носителей. В области эффективных e — заряд электрона, N — число точек в образце [107]. толщин Ge 8 deff 13 МС на C-V -кривых появляются Внешнее напряжение Vg на управляющем электроде, пики, расстояние между которыми, их ширина и посмещая потенциал в островках по отношению к уровню ложение на шкале напряжения (энергетической шкале) Ферми в контакте, отделенном от островкового слоя зависит от deff: с ростом deff пики становятся уже и туннельно-прозрачным барьером, стимулирует либо уменьшается энергетический зазор между ними. Энерзахват носителей из контакта на уровни КТ, либо опу- гетическое расстояние между уровнями, соответствуюстошение этих уровней в зависимости от полярности Vg. щими двум пикам емкости, находится из соотношения Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Кремний-германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образования... E =Vgb/L [109], где Vg — расстояние между пиками на C-V-характеристике, b — расстояние между КТ и нижним электродом, L — расстояние между верхним и нижним электродами. Расчеты дают E = 87 мэВ (для 8 МС), 36 мэВ (10 МС) и 32 мэВ (13 МС) [108].

Величина E = 36 мэВ для образца с количеством Ge, соответствующим deff = 10 МС, согласуется с энергией перезарядки КТ (EC) в основном состоянии, найденной в экспериментах по резонансному туннелированию.

Поэтому природа расщепления пиков была объяснена электростатическим кулоновским взаимодействием.

Появление осцилляций емкости связывается с формированием достаточно однородного по размерам массива нанокристаллов Ge, в котором плотность дырочных состояний является -образной функцией энергии. При большом количестве осажденного Ge (20 МС) происходит пластическая релаксация упругих деформаций, и Рис. 15. Относительное изменение проводимости канала формируются крупные ( 1000 ) островки с дислокаполевого транзистора, содержащего 109 квантовых точек, как циями. Это проявляется в исчезновении пиков емкости функция напряжения на затворе (эффект поля) при различных на вольт-фарадных характеристиках. С появлением дистемпературах.

локаций и пробоем области пространственного заряда, по-видимому, связано и сильное возрастание емкости, сопровождаемое резким увеличением активной части оболочки. При этом энергия активации возрастает на вепроводимости при толщинах более 20 МС.

личину, равную энергии размерного квантования, а проПлощадь под каждым пиком на C-V -характеристике, водимость уменьшается. При дальнейшем заполнении деленная на заряд электрона, оказалась равной с ховозбужденного состояния энергия активации, требуемая рошей точностью поверхностной концентрации островдля помещения носителя на данный уровень в других ков Ge (2nQD 6 · 1011 см-2). Это означает, во-первых, точках, уменьшается и снова начинает определяться что все островки Ge вовлечены в процесс перезарядки электрон-электронным взаимодействием, что приводит к системы, во-вторых, что вырождение по энергии снимаросту величины прыжковой проводимости и так далее.

ется за счет кулоновского взаимодействия.

Таким образом, величина прыжковой проводимости при Экспериментальное подтверждение кулоновской прификсированной температуре, а также энергия активации роды расщепления было найдено в измерениях вольтпроводимости должны осциллировать при изменении фарадных характеристик с двумя слоями островков Ge затворного напряжения, отражая тем самым структуру одинакового размера [110]. В этом случае расщепление спектра состояний. Такие осцилляции присущи лишь между пиками, обусловленное кулоновским взаимодейнуль-мерным системам, в которых электронный спектр ствием, увеличивается.

носит дискретный (атомоподобный) характер.

4.1.3. Эффект поля. Изменение проводимости Осцилляции прыжковой проводимости в условиях эфМДП транзисторов, в которых проводящий канал вклюфекта поля были обнаружены в МДП транзисторах с чает слой нанокристаллов Ge, оказалось достаточно эффективной толщиной Ge более 6 МС и содержащих информативным для изучения эффектов электронных до 109 островков Ge [111]. Подложкой служила высококорреляций и размерного квантования [111]. Послеомная пластина Si n-типа. В области низких температур довательное заполнение островков носителями осуще(T < 9K) на зависимостях проводимости канала от ствлялось приложением потенциала к затвору транзатворного напряжения были обнаружены осцилляции, зистора. При используемых плотностях островков Ge соответствующие заполнению основного и возбужденно(3 · 1011 см-2) существенными становятся туннельные го состояний в КТ (рис. 15).

переходы между состояниями, локализованными в разВ МДП транзисторе со слоем КТ, сформированном личных островках. Вероятность ”перескоков” дырки мена структуре кремний-на-изоляторе (SIMOX) [112], удажду квантовыми точками определяется: а) перекрытием лось минимизировать токи утечки через нижележащие волновых функций заполненного и незанятого состояния слои Si, в результате осцилляции проводимости наблюи б) степенью заполнения данной дырочной оболочки.

Если соответствующий уровень заполнен точно напо- дались вплоть до температур 150 K. Температурная зависимость проводимости оказалась активационной, что ловину, то проводимость должна быть максимальна, а энергия активации переходов должна определяться элек- отличает происходящие процессы от резонансного тунтростатической энергией взаимодействия данной дырки нелирования и свидетельствует в пользу прыжкового со всеми зарядами в нанокристаллах. При полном запол- механизма переноса заряда по КТ.

нении уровня носитель в процессе туннелирования выну- 4.1.4. Спектроскопия проводимости. Измерения комжден переходить на возбужденные состояния следующей плексной проводимости (адмиттанса) кремниевых барьеФизика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1294 О.П. Пчеляков, Ю.Б. Болховитянов, А.В. Двуреченский, Л.В. Соколов, А.И. Никифоров...

ров Шоттки с захороненным слоем КТ Ge позволили получить дополнительную информацию о структуре энергетического спектра КТ и параметрах дырочных состояний [113]. Отклик от КТ в данном случае представляется как отклик от конденсатора с потерями [114] и характеризуется постоянной времени = RQDCQD. При увеличении обратного смещения обедненная область проникает в глубь Si, приводя к опустошению дырочных уровней в КТ. На рис. 16 показаны зависимости активной части проводимости, нормированной на частоту переменного сигнала, от напряжения смещения для структуры с КТ (образец с 10 MС Ge) и структуры, содержащей только смачивающий слой (6МС Ge). В последнем случае наблюдаются два пика при 0.1 и 0.6 В. Амплитуда этих пиков не зависит от частоты в диапазоне 10-100 кГц Рис. 17. Температурная зависимость времен эмиссии дырок ( ) с возбужденного состояния в квантовых точках. На вставке — зависимость сечений захвата дырок () на уровни в квантовых точках от энергии залегания уровней Ei.

и, по-видимому, пики связаны с перезарядкой смачивающего слоя. В образце с КТ наблюдаются четыре дополнительных пика, обозначенных на рис. 16 как E1, E2, E3 и E4. Температурные зависимости времен эмиссии позволили определить энергии активации (глубины залегания уровней, мэВ) E1 = 201 ± 7, E2 = 228 ± 7, E3 = 267 ± 12, E4 = 288 ± 10, а также сечении захвата (рис. 17). Сечения захвата носителей на квантовые точки увеличиваются с ростом глубины залегания уровней (рис. 17) и на много порядков превышают известные величины для глубоких уровней в Si.

4.2. Оптические свойства Интерес к исследованию оптических свойств КТ обусловлен ярко выраженной практической направленностью и рядом преимуществ таких объектов по сравнению с двумерными квантовыми долинами. Особенностью КТ является, во-первых, возможность управления спектральной полосой фотоотклика путем предварительного заселения дискретных состояний с требуемой энергией переходов; во-вторых, наличие латерального квантования в нуль-мерных системах снимает запрет на оптические переходы, поляризованные в плоскости фотоприемника, а значит, предоставляет возможность Рис. 16. a — проводимость на переменном токе диода Шоттки осуществить поглощение света при нормальном падении с квантовыми точками (10 МС Ge) и со сплошным слоем Ge фотонов; в-третьих, в КТ ожидается сильное увеличение (6МС). Штриховые линии представляют результат разложевремени жизни фотовозбужденных носителей вследствие ния экспериментального спектра на гауссианы. Символами E1, так называемого эффекта ”узкого фононного горла” E2, E3 и E4 обозначен отклик от дискретных состояний в квантовых точках. На рис. b приведена производная dG/dV. (phonon bottleneck effect [115]).

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |



© 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.