WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 11 Фотосопротивление Si / Ge / Si-структур с квантовыми точками германия © О.А. Шегай¶, К.С. Журавлев, В.А. Марков, А.И. Никифоров, О.П. Пчеляков Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 27 марта 2000 г. Принята к печати 21 апреля 2000 г.) При T = 4.2 K обнаружено экспоненциальное уменьшение сопротивления Si / Ge / Si-структур, содержащих квантовые точки германия, с ростом интенсивности межзонного света. В упругонапряженных структурах наблюдаются два различных экспоненциальных участка в зависимости сопротивления структур от интенсивности света, а в ненапряженных структурах — один. Полученные экспериментальные результаты объяснены в рамках модели прыжковой проводимости неравновесных электронов, которые в напряженных структурах локализованы на квантовых точках и в областях между ними, а в ненапряженных структурах локализованы только между квантовыми точками.

Введение слоев германия, а в структурах с большей номинальной толщиной слоя германия на смачивающем слое германия В последнее время исследование сомоорганизующихформируются напряженные QD, имеющие форму пирася квантовых точек (QD) выделилось в одно из бурмид. Дальнейшее увеличение NGe приводит к изменению но развиваемых направлений физики полупроводников, формы QD от так называемых ”hut-кластеров” к ”domeважного как с фундаментальной, так и прикладной токластерам” [1–7]. Типичная высота QD составляет чек зрения. Основная идея метода получения самоор 3 нм, а размер основания увеличивается с 7 до ганизующихся QD заключается в росте тонкого слоя 30 нм при увеличении NGe с 6 до 25 ML. Начиная с толщиной в несколько монослоев одного полупроводNGe 12 ML, происходит релаксация упругих напряника в матрице другого с сильно отличающимися пажений в структурах за счет введения в них дислокаций раметрами решетки. Из-за возникающих механических несоответствия, а при NGe 15 ML QD начинают напряжений при некоторой критической толщине слоя смыкаться [5]. Малый планарный размер QD обеспечиэнергетически выгодным становится образование островвался за счет низкой температуры роста структур, равной ков (механизм Странского–Крастанова) [1–8]. Наиболее Tg = 200-300C. Концентрация QD в структурах не активно свойства Si / Ge / Si-структур с самоорганизуюзависит от NGe и равна примерно NQD = 1011 см-2. Более щимися QD германия изучаются методами электронподробно структуры и методика их получения описаны ной и атомно-силовой микроскопии [9–13], фотолюв работах [3,6–8].

минесценции [10–16], комбинационного рассеяния свеОмические контакты были получены путем нанесения та [4,5,10,17]. Поперечный туннельный транспорт ноиндия на поверхность структур. Зависимость планарного сителей заряда изучался в работе [3], транспорт вдоль сопротивления структур от интенсивности межзонного слоев QD исследовался в работе [8]. В данной работе света измерялась в режиме постоянного тока при темпевпервые исследовалась зависимость планарного сопроратуре T = 4.2 K и имела симметричный относительно тивления Si / Ge / Si-структур с QD от интенсивности полярности прикладываемого напряжения вид. Стацимежзонного света.

онарная межзонная засветка структур осуществлялась с помощью светодиода, излучающего в красной области спектра. Светодиод закреплялся в непосредственной Экспериментальные условия близости от образца достаточно малого размера, что Исследуемые структуры были синтезированы на уста- обеспечивало однородное по площади образца освещеновке молекулярно-лучевой эпитаксии типа ”Катунь C”. ние. Интенсивность излучения светодиода задавалась На подложках кремния КЭФ 5–7.5 ориентации (100) был током, пропускаемым через светодиод, и не превышала выращен буферный слой толщиной порядка 40100 нм, величины 2 мВт / см2.

затем выращивался тонкий слой германия, который закрывался поверхностным слоем кремния толщиной 20-40 нм. Все выращиваемые слои были получены без Экспериментальные результаты преднамеренного легирования, остаточная концентрация примесей в кремнии составляла приблизительно На рис. 1 показаны типичны экспериментальные зави1016 см-3. Число монослоев (ML) германия — NGe в симости сопротивлений (R) трех структур с NGe = 6, структурах варьировалась от 0 до 25. В структурах с и 15 ML от интенсивности света (I) при фиксированной NGe 4 ML происходит двумерный рост псевдоморфных величинке тока, пропускаемого через структуры. В не¶ E-mail: shegai@thermo.isp.nsc.ru напряженных структурах (NGe = 15 и 25 ML) экспери6 1364 О.А. Шегай, К.С. Журавлев, В.А. Марков, А.И. Никифоров, О.П. Пчеляков ментальные кривые хорошо описываются зависимостью вида R =R0 exp(-I/I0) +R, (1) где R0 = R0 - R, R0 — сопротивление структуры, измеренное в темноте; R — сопротивление структуры при достаточно большой интенсивности света, которое от интенсивности света не зависит; I0 —интенсивность света, при которой R0 уменьшается в e раз. Величина R0 составляет приблизительно 80% от величины R0.

С ростом величины тока через структуру, как правило, наблюдается рост величины I0 и относительной доли R.

В напряженных структурах (NGe = 6 и 8 ML) при Рис. 2. Зависимость характерных интенсивностей света от малых значениях тока через структуры кривая R(I) числа монослоев германия в Si / Ge / Si-структурах. Штрихоописывается экспонентой типа (1), а по мере ровая линия разделяет области напряженных и ненапряженных ста тока появляется второй участок, имеющий также структур.

экспоненциальный вид R =R1 exp -(I/I1)1/2 + R1, (2) как это видно из рис. 1, a для структуры с NGe = 6 ML.

В структуре с NGe = 10 ML оба участка зависимости R(I) (см. рис. 1, b) описываются одинаковым выражением (1), но с различными характерными интенсивностями (I0 и I0) и различными значениями R.

В структурах с NGe 4 ML, в которых самоорганизующиеся QD еще не образуются, в широком диапазоне интенсивности света наблюдалась обратно пропорциональная зависимость сопротивления от интенсивности света. Такая зависимость свидетельствует о зонном механизме проводимости, когда концентрация неравновесных носителей заряда пропорциональна интенсивности света.

На рис. 2 показаны зависимости величин I0 и I1 от номинальной толщины слоя германия NGe, задающей размер германиевых QD. Значения I0 и I1 были получены из соответствующих значений I0 и I1 при аппроксимации величины тока, пропускаемого через структуры, к нулю.

Этим самым исключается влияние электрического поля на неравновесную проводимость структур и процессы туннелирования, рассматриваемые в отдельной работе.

Из рис. 2 видно, что для напряженных структур с 10 ML величина I0 примерно в 4 раза больше, чем в стркутурах с 6 и 8 ML, величина I1 уменьшается почти в 3 раза при увеличении NGe с 6 до 8 ML. На рисунке также приведено значение величины I0 для структуры NGe = 10 ML, которое примерно на порядок превышает значение I1 для NGe = 8 ML. В ненапряженных структурах, как видно из рис. 2, величина I0 незначительно уменьшается при Рис. 1. Экспериментальные зависимости при T = 4.2K увеличении NGe.

сопротивления Si / Ge / Si-структур с различной номинальной толщиной слоя германия NGe, ML: a —6, b — 10, c —от интенсивности межзонного света. Величина тока, пропус- Обсуждение результатов каемого через структуры, равна, мкА: a — 8.7, b — 5.0, c — 3.6. Точками показаны расчетные кривые, полученные с На рис. 3 приведен схематичный фрагмент структуры использованием формулы (1), штрихами — с использованием с квантовыми точками в плоскости их формирования формулы (2). Формулы приведены в тексте статьи.

(рис. 3, a) и зонные диаграммы для двух сечений струкФизика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Фотосопротивление Si / Ge / Si-структур с квантовыми точками германия расстоянием между соседними QD, то край зоны проводимости кремниевой матрицы испытывает планарную модуляцию с минимумами, расположенными между QD (см. рис. 3, a). Между соседними QD потенциальные барьеры, вызванные деформацией, имеют седловую форму, вероятный вид которой показан на рис. 3, b пунктирной кривой. Отметим, что деформационный потенциал вокруг QD выталкивает локализованные состояния типа I в непрерывный спектр. Аналогичные локализованные состояния между соседними QD могут образовываться и для дырок. Точный расчет энергетического спектра Si / Ge / Si-структур, содержащих QD, с учетом упругих деформаций матрицы кремния, насколько нам известно, до настоящего времени не проведен. Недавно проведенные расчеты для GaAs / InAs / GaAs-структур с InAs QD [18] показывают, что характерный размер релаксации упругих напряжений вокруг QD в этих структурах сравним с размерами QD. На рис. 3, a схематично показаны оба типа локализованных состояний Рис. 3. a — схематическое изображение локализованных содля неравновесных электронов в плоскости формировастояний электронов напряженной Si / Ge / Si-структуры с германия QD.

ниевыми квантовыми точками; b — энергетическая диаграмма В структурах с NGe > 12 ML происходит релаксаструктуры вдоль сечения B, проходящего через две соседние ция упругих напряжений и локализованные состояния квантовые точки германия; c — зонная диаграмма структуры типа II исчезают. Такие состояния появляются вновь поперек сечения A, не проходящего через квантовые точки.

при NGe 15 ML в результате ограничения движения электронов в зоне проводимости матрицы кремния непосредственно Si / Ge-гетерограницами из-за смыкания туры — A и B. Зонная диаграмма структуры поперек оснований QD [5]. При этом локализованные состояния сечения A, не проходящего через QD, представлена на типа I не образуются из-за исчезновения замкнутой рис. 3, c. Из рисунка видно, что смачивающий слой электронной орбиты вокруг QD.

германия является квантовой ямой для дырок и барьером Мы полагаем, что наблюдаемая экспоненциальная задля электронов. Генерированные светом носители заряда висимость сопротивления структур с QD от интенсивразделяются в пространстве: дырки локализуются в слое ности межзонного света объясняется в рамках модели германия, а электроны из-за кулоновского притяжения к прыжковой проводимости неравновесных электронов по дыркам локализуются около него. В результате вблизи неупорядоченным локализованным состояниям, описанслоя германия образуется квазидвумерный слой неравным выше. Проводимость по состояниям типа I анановесных электронов. На рис. 3, b приведена энергетичелогична прыжковой проводимости по примесным соская диаграмма структуры вдоль сечения B, проходящего стояниям, при этом концентрацию этих состояний мы через две соседние QD. В силу больших размеров QD задаем интенсивностью света. Зависимость удельного по сравнению с толщиной смачивающего слоя германия, сопротивления структур при прыжковом механизме проосновной энергетический уровень дырок в QD находится водимости от концентрации локализованных состояний в глубже, чем уровень дырок в двумерной германиевой квантовой яме, поэтому дырки захватываются на уровне двумерном случае имеет вид [19] QD и не участвуют в зонной проводимости. В результате кулоновского взаимодействия неравновесных электронов = 0 exp / r(N)1/2, (3) с локализованными в QD дырками образуется связанное на QD состояние электрона (локализация типа I). Такое где N — концентрация QD, равная N = N0 +N, где состояние можно рассматривать как экситон, связанный N0 — концентрация QD, заполненных равновесными нона QD, или как ”искусственный” донор. Кроме того, в сителями заряда, N — концентрация QD, заполненных напряженных структурах электроны могут локализоватьнеравновесными электронами, r — радиус локализованся в областях между QD (локализация типа II) [16], ного состояния электронов; = 2.39 согласно теории где они ограничены энергетическими барьерами. Эти барьеры образуются из-за деформации кремниевой ма- протекания для двумерного случая. Концентрация N в трицы, которая сжимается вблизи германиевых QD. Ве- случае линейной рекомбинации неравновесных носителей заряда равна N = I, где — время жизни неравличина деформации решетки кремния вдоль плоскости структуры уменьшается при удалении от QD вследствие новесных носителей заряда. При малых интенсивностях увеличения объема деформированного кремния. Если света, когда выполняется условие N N0, формула (3) эта деформация спадает на расстоянии, сравнимом с преобразуется к зависимости вида (1). Как известно [20], Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1366 О.А. Шегай, К.С. Журавлев, В.А. Марков, А.И. Никифоров, О.П. Пчеляков рекомбинация носителей заряда на ловушках, в качестве QD, можно из выражения NQD = I0 оценить время которых в данном случае выступают QD, носит линей- жизни неравновесных носителей заряда, локализованных ный характер независимо от интенсивности межзонного в состояниях типа I. Значения времени жизни для таких света. Следовательно, первый участок зависимости R(I) носителей заряда в структурах с NGe, равными 6, 8 и для напряженных структур (рис. 2), который описывает- 10 ML, составляют 10-4, 10-4 и3·10-5 с соответственно.

ся выражением (1), обусловлен прыжковой проводимо- Полученное значение времени жизни неравновесных стью электронов по локализованным состояниям типа I. носителей заряда в структуре с NGe = 6 ML сущеМы полагаем, что дырочная прыжковая проводимость ственно больше значения 1 = 3.9 · 10-6 с, полученмежду QD мала по сравнению с электронной, поскольку ного в работе [16] из измерений кинетики затухания вероятность прыжка между соседними QD зависит от фотолюминесценции структуры с таким же значением радиуса локализации носителя, а область локализации NGe, но синтезированной при более высокой темперадырок, определяемая размером QD, меньше, чем размер туре роста. Это различие обусловлено тем, что QD в области локализации электронов вокруг QD. исследованных нами структурах имеют гораздо меньшие планарные размеры, чем QD в структурах, исследованПроводимость по локализованным состояниям типа II, так же как и в континуальной задаче теории протека- ных авторами работы [16]. Уменьшение времени жизни ния [19], становится возможной при достижении квази- при увеличении NGe до 10 ML, по-видимому, связано с резким ростом деформационного потенциала вокруг QD, уровнем Ферми неравновесных электронов µF зонного обусловленного изменением формы QD от hut-кластеров уровня протекания 3 и описывается формулой типа к dome-кластерам [1,7], происходящим в исследуемых = 0 exp{(3 - µF)/kT }, (4) нами структурах при увеличении NGe от 8 до 10 ML.

Физический смысл характерных интенсивностей света где kT — тепловая энергия электронов, µF = N/D, I1, I0 в напряженных и I0 в ненапряженных структурах здесь D — двумерная плотность состояний типа II.

состоит в том, что при этой интенсивности света квазиОтсюда следует выражение (1) в случае линейной ре- уровень Ферми электронов достигает уровня протекания.

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.