WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 11 Формирование двумерных и одномерных твердофазных квантовых наноструктур в системе CdHgTe–электролит © В.Б. Божевольнов, А.М. Яфясов¶, П.П. Коноров Научно-исследовательский институт физики им. В.А. Фока при Санкт-Петербургском государственном университете, 198504 Санкт-Петербург, Россия (Получена 25 сентября 2003 г. Принята к печати 15 апреля 2004 г.) Экспериментально и расчетным путем показано, что структуры, в которых при комнатных температурах проявляются свойства двумерного и одномерного электронного газа, могут быть сформированы на основе соединений CdHgTe в системе полупроводник–электролит. Представлена методика формирования квантово-размерных структур и рассмотрен метод контроля электрофизических свойств таких структур непосредственно в процессе их образования.

1. Введение растворы изовалентного замещения [3–6]. Основные параметры этих материалов для трех различных составов x В последнее время возрастает интерес к квантовым приведены в табл. 1. Особенностью КРТ соединений электронным эффектам, которые реализуются в образявляется сильная зависимость их электронных харакцах с геометрическими размерами, соизмеримыми с длитеристик от состава. Это позволяет формировать гетеной волны электрона e [1]. В этом отношении наиболее роструктуры путем контакта областей КРТ-материала с значительным результатом последних десятилетий являразным составом. При этом малое изменение постоянется открытие явлений слабой локализации и квантового ной решетки a0 при изменении состава КРТ (табл. 1) и, эффекта Холла [2]. Использование квантовых эффектов следовательно, слабое нарушение периодичности атомпривело к созданию электроники, в которой в качестве ной структуры в области гетероперехода обеспечивает отдельных функциональных элементов выступают систенизкую плотность поверхностных состояний (ПС) и, мы с двумерным, одномерным (квантовые проволоки) и как следствие, малую величину захвата и рассеяния нульмерным (квантовые точки) электронным газом.

электронов.

В настоящее время системы с низкоразмерным элекИзменение состава материала КРТ и одноврементроным газом формируются главным образом в геное измерение электрофизических свойств получаемых тероструктурах, синтезируемых методом молекулярноструктур могут быть осуществлены с использованием лучевой эпитаксии на основе соединений SiGe–Si и эффекта поля в электролитах, в основе которого лежит (AlGa)As–GaAs [1,2]. Понижение размерности элекизменение потенциала полупроводникового электрода V тронного газа происходит при его локализации в обпри его поляризации в электролите и, как следствие, ласти пространственного заряда (ОПЗ) резкого гетепотенциала Vs поверхности полупроводника [3].

роперехода. Препятствием для проявления квантовых Применительно к КРТ возможность такого способа свойств электронного газа являются эффекты теплового изменения состава материала была показана в рабои столкновительного уширения дискретных энергетитах [8–12].

ческих уровней, которые, как правило, становятся существенными при комнатных температурах. В связи с этим актуальной задачей физики и техники становится 2. Методика эксперимента разработка методов формирования структур, свойства которых определяются квантово-размерными эффектами В качестве исходного материала использовались обвплоть до комнатной температуры. Можно выделить разцы КРТ с составом, соответствующим x = 0.два основных направления исследований, позволяющих (табл. 1). Предварительно поверхность образцов подрешить эту задачу.

вергалась химико-динамическому травлению в 8%-ном 1. Использование материалов, обладающих малой эфрастворе брома в метаноле [3]. Для изменения состава фективной массой m и высокой подвижностью µ элекe материала КРТ в измерительную ячейку, содержащую тронов и, соответственно, большой длиной волны и водный электролит, вводился комплексообразователь, длиной свободного пробега носителя заряда.

подобранный таким образом, чтобы возникающие ком2. Создание новых методов формирования низкоразплексы кадмия были устойчивы в большем интервамерных структур при in situ контроле их электронных ле потенциалов, чем комплексы ртути. В результате свойств.

при определенных значениях электродных потенциалов Перспективными для создания квантово-размерных происходило обеднение поверхности кадмием за счет структур являются материалы кадмий–ртуть–теллур преимущественного ухода комплексов кадмия в раствор, (КРТ), представляющие собой непрерывные твердые что сопровождалось образованием обогащенного рту¶ E-mail: yafyasov@desse.phys.spbu.ru тью приповерхностного слоя, который характеризовался Формирование двумерных и одномерных твердофазных квантовых наноструктур в системе CdHgTe... Таблица 1. Основные параметры материалов CdxHg(1-x)Te для трех значений стехиометрического состава (x). Данные соответствуют комнатной температуре [5–8] a0, Eg, µe, ph,, ni, EC-EF, LD, Lmov, e, me mh Cdx Hg(1-x)Te sc m0 nнм эВ см2/(В·с) мкм эВ см-3 эВ нм нм нм x = 0.15 0.64633 0.007 0.50 0.080 32 · 103 15 18 5.40 2.3 · 1016 -0.035 13 300 x = 0.20 0.64641 0.020 0.45 0.150 20 · 103 8.1 17 5.33 7.1 · 1015 +0.012 20 200 x = 0.32 0.64663 0.030 0.45 0.320 7 · 103 3.9 16 5.18 2.5 · 1014 +0.105 76 80 составом x = 0.20 и обладал меньшей шириной запре- следующие области, соответствующие различным этащенной зоны по сравнению с исходным материалом. пам формирования структуры.

В результате происходило формирование двухслойной Область электродных потенциалов от +50 до -250 мВ гетероструктуры, представляющей собой слой узкозонсоответствует поляризации КРТ-электрода, при которой ного полупроводника на поверхности исходного образца происходит растворение поверхности электрода с сохраКРТ. Состав слоя и его толщина определялись из вольтнением исходного соотношения между всеми компоненфарадных характеристик (ВФХ) методами, предложентами тройного соединения (область A на рис. 1). Об этом ными в [13]. Дополнительно параметры поверхностного свидетельствует обратимость ВФХ и их соответствие слоя контролировались методом ИК-поглощения.

изменению емкости ОПЗ в материале КРТ с исходным ВФХ структуры измерялись непосредственно в элексоставом (x = 0.32).

трохимической ячейке по четырехэлектродной схеме В области электродных потенциалов, меньших при потенциостатическом задании электродного потен-250 мВ, комплексы ртути начинают разряжаться на циала [3,14,15]. Измерения проводились на импульсповерхности КРТ-электрода, в то время как комплексы ном сигнале длительностью 1.0 мкс с усреднением кадмия остаются устойчивыми и продолжают беспрепятзначений не менее чем по 32 импульсам при кажственно уходить в электролит. При этом поверхность дом значении задаваемого потенциала. Кроме того, электрода обогащается ртутью. Этот процесс сопродля каждого тестирующего импульса измерялась повождается перераспределением скачков потенциала на стоянная времени релаксации потенциала (V ) системежфазной границе и резким необратимым падением мы интерфейс электрод–электролит. По величине (V ) емкости в области электродных потенциалов от -и измеренной емкости интерфейса Cin f (V ) оценивадо -550 мВ (область B на рис. 1) с последующей лась величина шунтирующего сопротивления структуры стабилизацией ВФХ.

Rin f (V ) = (V )/Cin f (V ).

В диапазоне потенциалов от -600 до -750 мВ вновь ИК-поглощение измерялось на „сухой“ структуре при наблюдается область обратимого изменения ВФХ (обкомнатной температуре в атмосфере сухого азота. Была ласть C на рис. 1).

применена оптическая схема с модуляцией монохроматического луча на частоте 10-15 Гц. Регистрация сигнала осуществлялась дифференциальным болометром с помощью моста переменного тока. Время накопления сигнала составляло до 32 секунд для каждого значения длины волны.

3. Экспериментальные результаты и их обсуждение 3.1. Методика формирования и электрофизические свойства гетероструктур с двумерным электронным газом На рис. 1 представлены ВФХ поверхности КРТРис. 1. Вольт-фарадные характеристики Cin f (V ) системы электрода для двух образцов, полученные при изменеКРТ–электролит для двух образцов. Теоретическая зависинии электродного потенциала в потенциостатическом мость емкости ОПЗ КРТ (x = 0.32) от поверхностного порежиме, а также расчетная зависимость емкости ОПЗ тенциала Vs смещена по потенциалу до совмещения с экспеот поверхностного потенциала для КРТ материала с риментальными зависимостями Cin f (V ) от электродного посоставом x = 0.32. На характеристиках можно выделить тенциала V.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1376 В.Б. Божевольнов, А.М. Яфясов, П.П. Коноров На рис. 2 приведены результаты измерения ИК-поглощения на сформированной структуре. На приведенном спектре (рис. 2, a) имеются две особенности при длинах волн 3900 и 7800 нм. Эти особенности свидетельствуют об образовании двухслойной структуры, состоящей из подложки, имеющей состав x = 0.32, и полупрозрачного слоя с составом x = 0.20. Толщина этого слоя, оцененная по поглощению с учетом коэффициента преломления в КРТ (n = 3.6 [16]), составила от 200 до 400 нм, что в 5 раз превосходит толщину диэлектрического слоя, вычисленную из ВФХ. Результат дифференцирования кривой спектра поглощения приведен на рис. 2, b.

Тонкая структура края спектра поглощения свидетельРис. 2. Спектр ИК-поглощения структуры КРТ–подложка– ствует о существовании в области полупрозрачного слоя модифицированный поверхностный слой (a); результат диффе- квантово-размерного электронного газа.

ренцирования спектра ИК-поглощения (b).

Полученные данные указывают на образование гетероперехода, который возникает на контакте подложки с поверхностным слоем КРТ, соответствующим составу При электродных потенциалах, меньших -800 мВ, x = 0.20. На рис. 3 пояснен процесс возникновения происходит необратимое разрушение материала элекгетероструктуры. Поверхностный потенциал подложки трода (область D на рис. 1).

задается электрохимической реакцией растворения Уменьшение емкости при переходе в область C и Cd0.32Hg0.68Te. Изменение потенциала в процессе обратимый характер изменения ВФХ в этой области мополяризации будет ограничено потенциалом разряда гут быть интерпретированы как возникновение устойчикомплекса ртути на поверхности электрода с образовой структуры, содержащей изолирующий слой. Оценка ванием атомарной ртути Hg0 (рис. 3, a), которая легко толщины этого слоя, полученная из экспериментальных проникает в приповерхностный объем КРТ, изменяя значений емкости, дает величину 36-41 нм в предполоего состав. Подобный процесс изменения состава КРТ жении, что диэлектрическая постоянная слоя sc лежит ранее был описан в литературе [11,12]. Изменение в характерном для материала КРТ интервале (табл. 1).

состава КРТ электрода на поверхности приводит к Отметим, что указанная толщина слоя сопоставима с изменению его коррозионного потенциала, что влечет длиной волны электрона e в КРТ материале (табл. 1), за собой изменение поверхностного потенциала.

что может являться причиной размерного квантования электронного газа в области обсуждаемого гетеропере- Таким образом, в системе электролит–Cd0.20Hg0.80Te– хода. Cd0.32Hg0.68Te фиксированными оказываются потенциаРис. 3. Процесс формирования гетероструктуры и ее возможные типы. Обогащение поверхности подложки ртутью (a);

варизонный тип (b); резкий смещенный (c) и несмещенный (d) гетеропереходы. По вертикали отложена энергия E, мэВ.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Формирование двумерных и одномерных твердофазных квантовых наноструктур в системе CdHgTe... лы в объеме электрода (Cd0.32Hg0.68Te) и на его по- По-видимому, оба механизма, связанные с волновой верхности (Cd0.20Hg0.80Te). Зонная структура системы природой электрона, ингибируют электрохимические реповерхностный слой состава Cd0.20Hg0.80Te–подложка акции, что позволяет формировать слои с толщиной, состава Cd0.32Hg0.68Te соответствует либо варизонной сопоставимой с e в данном материале.

(рис. 3, b), либо резкой гетероструктуре (рис. 3, c, d).

Варизонный характер структуры противоречит данным 3.2. Методика формирования и свойства ИК-поглощения (рис. 2) и образованию изолирующего одномерного проводника слоя, который проявляется на ВФХ (рис. 1). В то же Одномерная (1D) электронная квантовая структура время модель резкого гетероперехода позволяет объяс(квантовая проволока) формировалась путем электрохинить как наличие осцилляций вблизи края поглощения мической модификации подложки КРТ (x = 0.32) при пленки (рис. 2, b), так и уменьшение емкости ВФХ в одновременном воздействии ультразвуковых колебаний области C размерным квантованием электронного газа, на межфазную границу, которые вызывают образование локализованного в области разрыва энергетических зон вихревых микропотоков электролита на границе. Эти на гетеропереходе.

потоки обеспечивали сильную латеральную неоднородВозвращаясь к рис. 1, отметим, что правая ветвь экстраполированного прямыми линиями участка ВФХ в ность условий протекания электрохимической реакции области C отражает процесс формирования поверхност- за счет локального снятия диффузионных ограничений, ного слоя Cd0.20Hg0.80Te, а левая характеризует измене- что способствовало дополнительному уходу кадмия в ние полной емкости гетероперехода при его поляриза- раствор с образованием геометрических микронеодноции. Потенциал V1 = -628 мВ, соответствующий пере- родностей. Эти неоднородности в свою очередь стабисечению экстраполированных прямых ВФХ, отличается лизировали формирующие их вихревые потоки. В реот потенциала несмещенного перехода V2 = -480 мВ зультате, наряду с описанной в разд. 3.1 модификацией на величину V = |V1-V2| = 148 мВ, что совпадает с состава КРТ в области контакта двух микропотоков величиной разрыва зон на гетеропереходе (рис. 3, c). электролита происходило формирование протяженных Это позволяет утверждать, что процесс формирования областей материала КРТ, состав которых соответствовал поверхностного слоя Cd0.20Hg0.80Te (рис. 3, a, b) останав- x < 0.20.

ливается с появлением разрыва зон (рис. 3, c).

Таким образом, в самостаблизируемых условиях элекТаким образом, метод ИК-поглощения и метод ВФХ трохимической реакции, которые, по нашему мнению, показывают, что при электрохимической модификации имеют определенную аналогию с образованием ячеповерхности КРТ формируется гетероструктура, образу- ек Бенара–Тейлора, представляющих типичный приемая контактом двух областей КРТ различного состава.

мер самоорганизации [17], происходило формирование Возникающий на контакте разрыв энергетических зон сотоподобной структуры, представленной на рис. 4.

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.