WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1 Отрицательная фотопроводимость в среднем ИК-диапазоне селективно легированных гетероструктур SiGe / Si : B с двумерным дырочным газом © А.В. Антонов, В.Я. Алешкин, В.И. Гавриленко, З.Ф. Красильник, А.В. Новиков, Е.А. Ускова, М.В. Шалеев Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия E-mail: aav@ipm.sci-nnov.ru Представлены результаты исследований спектров латеральной фотопроводимости селективно легированных гетероструктур SiGe / Si : B с двумерным дырочным газом. Обнаружено, что в спектрах фотопроводимости исследованных структур присутствуют два сигнала, имеющие различные знаки. Положительный сигнал связывается с примесной фотопроводимостью в кремниевых слоях структур. Обнаруженный сигнал отрицательной фотопроводимости связывается с переходом дырок из квантовой ямы SiGe в долгоживущие состояния в барьерах Si. Положение пика отрицательной фотопроводимости зависит от состава квантовой ямы, а его низкочастотный край хорошо согласуется с рассчитанной энергией залегания уровня размерного квантования дырок в квантовой яме.

Работа выполнена при финансовой поддержке ISTC (грант N 2206), Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 02-02-16792, 03-02-16808), Федеральной программы Министерства промышленности и технологии РФ и Российской федеральной программы „Интеграция“.

1. Введение туры содержали одиночную квантовую яму Si1-x Gex, концентрация Ge в которой варьировалась от 12 до В настоящее время растет интерес к оптическим свой30 at.%. Ширина квантовой ямы dQW (25-10 nm) уменьствам SiGe-наноструктур. Благодаря их совместимости с шалась с ростом доли Ge и не правышала критической кремниевой технологией возможна интеграция на одном толщины эпитаксиального роста слоя GeSi на подложке чипе оптоэлектронных устройств, основанных на SiGeSi(001). С обеих сторон от квантовой ямы на расстоянии гетероструктурах с квантовыми ямами и квантовыми 20 nm располагались слои, легированные бором. Поверхточками, и схем обработки сигналов. Поэтому изучение ностная концентрация бора в легированных слоях софизических эффектов, лежащих в основе устройства ставляла 4 · 1012 cm-2. На поверхность выращенного SiGe-фотодетекторов для разных спектральных диапаобразца в форме квадрата на расстоянии 3-4mmдруг от зонов, представляет особенный интерес. Работы, посвядруга были нанесены полосковые омические контакты.

щенные исследованию поглощения и фотопроводимости Латеральная фотопроводимость изучалась при помощи в среднем ИК-диапазоне обсуждаются в [1–3]. Одно- и Фурье-спектрометра BOMEM DA3.36 с делителем пучмногополосные детекторы среднего ИК-диапазона иска KBr. В качестве источника излучения использовался следованы в [4,5]. Однако в большинстве своем эти глобар. Образцы помещались в световодной вставке в исследования ограничены вертикальным транспортом транспортный гелиевый дьюар.

заряда, когда фотоотклик возникает в результате фоНа рис. 1 представлена измеренная зависимость сотовозбуждения носителей заряда из квантовой ямы в противления SiGe / Si : B-структур от обратной темпебарьеры и происходит увеличение числа носителей ратуры. При температуре T > 35 K примесь бора в заряда, вносящих вклад в электрический ток. В данподложке и легированных слоях ионизована, и сопротивной работе представлены результаты исследования лаление структуры определяется проводимостью на свотеральной фотопроводимости селективно легированных бодных носителях. При низкой (T < 35 K) температуре SiGe / Si : B-гетероструктур с двумерным дырочным гадырки в Si : B „выморожены“ на акцепторах. Поскольку зом. Обнаруженный отрицательный фотоотклик в средглубина квантовой ямы в исследованных структурах нем ИК-диапазоне может представлять интерес для хабольше, чем энергия ионизации примеси бора (46 meV), рактеризации SiGe-гетероструктур с квантовыми ямами.

дырки из легированных слоев заполняют квантовую яму, образуя двумерный дырочный газ. Таким образом, при низких температурах проводимость по яме практически 2. Эксперимент и обсуждение не зависит от температуры (рис. 1). Двумерная конИсследованные SiGe / Si : B-гетероструктуры были вы- центрация дырок при температуре 4.2 K, определенная ращены методом молекулярно-пучковой эпитаксии на при измерениях эффекта Холла, увеличивалась с ростом слабо легированных бором подложках Si(100). Струк- концентрации Ge в квантовой яме и находилась в 48 А.В. Антонов, В.Я. Алешкин, В.И. Гавриленко, З.Ф. Красильник, А.В. Новиков, Е.А. Ускова...

тров видно, что сигнал фотопроводимости структур с квантовыми ямами состоит из двух частей разной природы. Первая часть — примесная полоса, связанная с фотоионизацией акцепторов бора в Si.

Особенности, характерные для спектра примесной фотопроводимости объемного образца Si : B, хорошо видны также в спектрах всех гетероструктур с квантовыми ямами и соответствуют фотоотклику из Si-барьеров и подложки. Кроме примесной полосы в спектрах фотопроводимости SiGe / Si : B-гетероструктур имеется широкая полоса, положение которой зависит от содержания Ge в квантовой яме. Соотношение интенсивностей этих двух полос зависит от напряжения смещения, прикладываемого к образцу. При относительно малом смещении (около 1 V) интенсивность полосы, связанной с фотопроводимостью квантовой ямы, преобладает над интенсивностью полосы, обусловленной ионизацией примеси бора в слоях кремния. Однако с увеличением смещения интенсивность примесной полосы начинает возрастать и Рис. 1. Зависимость сопротивления Si1-x Gex / Si : B-структуры при больших напряжениях превосходит интенсивность с двумерным дырочным газом от обратной температуры.

полосы, связанной с квантовой ямой.

На рис. 2 видны ярко выраженные осцилляции в спектре фотопроводимости объемного Si : B. Подобные осцилляции (фононные повторения) наблюдались ранее [6]. Период этих осцилляций определяется энергией оптического фонона в Si ( 60 meV). Похожие осцилляции хорошо видны также и в спектре фотопроводимости структуры с Gex Si1-x -квантовой ямой для x = 0.12.

Наблюдаемый минимум сигнала фотопроводимости в районе 1200 cm-1 предположительно связан с поглощением света кислородом в кремнии.

При увеличении содержания Ge полоса в спектре фотопроводимости, связанная с квантовой ямой, смещается в область больших энергий. Стрелками на рис. показана рассчитанная глубина залегания уровня размерного квантования в яме для каждого образца. Расчет проводился с использованием гамильтониана 6 6, который описывает подзоны тяжелых, легких и спинотщепленных дырок. Видно, что рассчитанная энергия хорошо совпадает с низкочастотным краем обнаруженной полосы фотопроводимости.

Было найдено, что сигнал фотопроводимости, связанРис. 2. Спектры фотопроводимости объемного Si : B (x = 0) и ный с квантовой ямой, более инерционный (характерное структур SiGe / Si с различным содержанием Ge в квантовой время релаксации 1ms), чем сигнал примесной яме, измеренные при 4.2 K. Стрелки и числа около кривых фотопроводимости бора в кремнии ( 10 µs). Необсоответствуют рассчитанному положению и значению энергии ходимо также отметить, что фотопроводимость, связанперехода дырок из валентной зоны квантовой ямы SiGe в ная с квантовой ямой, отрицательна, т. е. сопротивлевалентную зону Si.

ние образца увеличивается при освещении. В случае примесной фотопроводимости имеет место обратный эффект: сопротивление образца уменьшается вследствие диапазоне от 3 · 1011 до 1012 cm-2. Подвижность дырок, появления дополнительных носителей заряда, вносящих также полученная на основании измерений эффекта вклад в электрический ток. Интересно, что в спектрах Холла, зависела от содержания Ge в квантовой яме и фотопроводимости образцов с квантовой ямой (рис. 2) при 4.2 K для x = 0.12, 0.21, 0.3 составляла 5500, обе полосы имеют одинаковый знак, что может быть и 300 cm2/V · s соответственно.

обусловлено фазовой ошибкой при обработке данных Измеренные спектры фотопроводимости структур с Фурье-спектрометром.

квантовыми ямами представлены на рис. 2, где для Мы связываем высокочастотную полосу фотопровосравнения также приведен спектр фотопроводимости димости в селективно легированных GeSi / Si : B-гетерообъемного образца Si : B (x = 0). Из измеренных спек- структурах с двумерным дырочным газом с переходами Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Отрицательная фотопроводимость в среднем ИК-диапазоне селективно легированных... дырок из квантовой ямы в долгоживущие состояния в Si-барьерах. Подобная отрицательная фотопроводимость была обнаружена для межзонного возбуждения в SiGe / Si-гетероструктурах с квантовыми точками [7].

Захват дырок в барьерные состояния преобладает над возвратом дырок в квантовую яму, а большое время жизни дырок в барьере может определяться туннельными процессами. Таким образом, фотовозбуждение дырок приводит к уменьшению их концентрации в квантовой яме, т. е. к уменьшению тока и появлению сигнала отрицательной фотопроводимости.

3. Заключение В настоящей работе исследована латеральная фотопроводимость селективно легированных гетероструктур SiGe / Si : B с двумерным дырочным газом. Подвижность двумерного дырочного газа уменьшается с ростом концентрации дырок и доли Ge в квантовой яме.

Для структуры с малым содержанием Ge (x = 0.12) в квантовой яме подвижность дырок, определенная на основании измерений эффекта Холла при 4.2 K, составляла > 5 · 103 cm2/V · s. Измерения спектров латеральной фотопроводимости в исследованных структурах показали наличие двух сигналов различной природы.

Положительный сигнал связывается с примесной фотопроводимостью в кремниевых слоях исследованных структур. Положение пика примесной проводимости не зависело от параметров квантовой ямы Si1-x Gex. Второй сигнал фотопроводимости имеет отрицательный знак, его положение зависит от состава квантовой ямы. Низкочастотный край пика отрицательной фотопроводимости хорошо согласуется с рассчитанной энергией залегания уровня размерного квантования дырок в квантовой яме.

Обнаруженный сигнал отрицательной фотопроводимости связывается с переходами дырок из квантовой ямы в долгоживущие состояния в барьерах Si, в результате чего происходит уменьшение концентрации носителей заряда в двумерном проводящем канале и, как следствие, увеличение сопротивления структуры.

Список литературы [1] T. Fromherz, E. Koppensteiner, M. Helm, G. Bauer, J.F. Ntzel, G. Abstreiter. Phys. Rev. B 50, 20, 15 073 (1994).

[2] T. Fromherz, P. Kruck, M. Helm, G. Bauer, J.F. Ntzel, G. Abstreiter. Appl. Phys. Lett. 68, 25, 3611 (1996).

[3] E. Dekel, E. Ehrenfreund, D. Gershoni, P. Boucaud, I. Sagnes, Y. Campidelli. Phys. Rev. B 56, 24, 15 734 (1997).

[4] R.P.G. Karunasiri, J.S. Park, K.L. Wang. Appl. Phys. Lett. 59, 20, 2588 (1991).

[5] D. Krapf, B. Adoram, J. Shappir, A. Sa’ar, S.G. Thomas, J.L. Liu, K.L. Wang. Appl. Phys. Lett. 78, 4, 495 (2001).

[6] В.Ф. Банная, Е.М. Гершензон, Ю.П. Ладыжинский, Т.Г. Фукс. ФТП 7, 6, 1092 (1973).

[7] A.I. Yakimov, A.V. Dvurechenskii, A.I. Nikiforov, O.P. Pchelyakov, A.V. Nenashev. Phys. Rev. B 62, 24, R 16 283 (2000).

4 Физика твердого тела, 2005, том 47, вып.




© 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.