WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1 Глубокие уровни кластеров из атомов галлия в GaAs © С.Н. Гриняев¶, В.А. Чалдышев Томский государственный университет, 634050 Томск, Россия (Получена 22 мая 2000 г. Принята к печати 25 мая 2000 г.) Методами псевдопотенциала и расширенной элементарной ячейки (8 8 8) изучены локализованные электронные состояния, создаваемые тетраэдрическими кластерами из атомов галлия в запрещенной зоне GaAs. Показано, что с ростом размеров кластеров уровень Ферми (EF) быстро достигает своего предельного значения, близкого к величине барьера Шоттки для плоской границы металл–полупроводник.

Щель между полностью заполненными и пустыми уровнями размерного квантования для наибольшего кластера, содержащего 159 атомов галлия, составляет 0.06 эВ. Положение по энергии и ”хвосты” металлиндуцированных состояний в области EF определяются наиболее внешними слоями из антиструктурных дефектов GaAs.

1. Введение псевдопотенциала. Явный учет точечной симметрии дефектного материала позволил рассматривать кластеры, Кластерные образования из различных дефектов при- содержащие сотни атомов. Этим методом были изучены водят к модификациям свойств полупроводниковых ма- локализованные состояния небольших тетраэдрических териалов, которые зачастую открывают новые возможно- мышьяковых кластеров в GaAs, кубическая симметрия сти для их применений в электронике. Создание техноло- которых подтверждается структурными исследованиями гий, позволяющих управлять процессом роста кластеров, эпитаксиальных пленок GaAs, выращенных при низкой стимулировало в последние годы всплеск интереса к температуре.

таким материалам. Ярким примером является арсенид В настоящей работе исследуются глубокие уровни, галлия с кластерами из собственных дефектов, вызыва- порождаемые галлиевыми кластерами, получающимиющих в нем ряд уникальных свойств [1]. В значительной ся заменой атомов мышьяка на атомы галлия в блистепени свойства дефектного кристалла определяются жайших координационных сферах GaAs. Основной особенностями его электронного спектра и характе- интерес представляло выяснение природы состояний, ром интерфейсных состояний на гетерогранице кластер– формирующих барьер Шоттки на гетерогранице кламатрица. В реальных материалах содержатся различные стер–полупроводник. По сравнению с [9] здесь исмногоатомные кластеры, симметрия которых зависит пользована значительно большая РЭЯ (8 8 8), что от их размеров и условий роста. Последовательное дало возможность установить предельные характеристиописание электронных состояний таких кристаллов на ки электронного спектра в зависимости от размеров основе самосогласованных методов с учетом релаксации кластеров. Для выяснения влияния формы гетерограниатомной структуры, подобно тому как это делается для цы между металлическим включением и окружающей малых кластеров [2], пока не представляется возможным.

матрицей рассмотрены также электронные состояния В то же время простые модели типа желе [3] и метода сверхрешеток (GaAs)n(Ga)n, моделирующих плоскую эффективной массы [4] для полупроводниковых мате- границу металл–полупроводник.

риалов имеют ограниченную применимость, поскольку они справедливы лишь при достаточно однородной 2. Метод расчета электронной плотности и больших размерах кластеров, при которых состояния объемной зонной структуры уже Расчет электронного энергетического спектра арсенисформировались. Наиболее эффективными для описада галлия с кластерными дефектами проводился методом ния спектров сложных полупроводниковых наноструктур локального модельного псевдопотенциала [9]. В РЭЯ остаются полуэмпирические подходы. Учет микроскопи(8 8 8) содержится 1024 атома, из которых лишь ческого потенциала в рамках методов сильной связи [5], небольшая часть ( 10%) заменялась атомами кластемолекулярных орбиталей [6], эмпирического псевдопора, что позволило пренебречь перекрыванием волновых тенциала [7] и k-p-метода [8] позволяют достаточно функций из соседних ячеек и получить зону глубоких успешно интерпретировать эффекты размерного квантоуровней с относительно небольшой дисперсией. При вания в спектрах свободных полупроводниковых кластерасчете спектра в разложении волновой функции дефектров и квантовых точек. В [9] для исследования глубоких ного кристалла учитывалось 15 нижних зон идеального уровней, связанных с кластерами в полупроводниковой GaAs, потенциалы атомов галлия во внутренних слосреде, нами был использован подход на основе методов ях экранировались на плотность электронов металла, расширенной элементарной ячейки (РЭЯ) и модельного другие детали метода описаны в [9]. Глубокие уровни ¶ E-mail: gsn@phys.tsu.ru кластера отождествлялись с состояниями сверхрешетки Глубокие уровни кластеров из атомов галлия в GaAs из периодических кластеров при равном нулю волновом векторе сверхрешетки. Были рассмотрены кластеры, содержащие до 11 координационных сфер и центрированные на анионном узле решетки GaAs. В таких кластерах последовательно находится 5, 29, 47, 87, 123 и 159 атомов, если делать замену всех внутренних атомов As, а граничный слой из атомов Ga с окружающей матрицей из GaAs относить к кластеру. Диаметр наибольшего кластера составляет 17. Релаксация и дисторсия решетки, вызванная дефектами, не учитывались.

Перестройка атомной структуры изменяет положение отдельных уровней, но в меньшей степени влияет на интегральные характеристики спектра, такие как плотность состояний и высота барьера Шоттки [10]. Расчет спектра GaAs с одиночным антиструктурным дефектом GaAs дал Рис. 1. Схема уровней GaAs с кластерами из 159 атомов в запрещенной зоне один уровень t2 с энергией 0.28 эВ галлия. Показано положение уровня t2 одиночного антиструк(относительно потолка валентной зоны), которая с потурного дефекта GaAs, уровня Ферми EF дефектного материала правкой на спин-орбитальное расщепление согласуется с и краев запрещенной зоны идеального кристалла GaAs Ec, Ev.

экспериментом [11] и нашим предыдущим расчетом [12], Кружком обведен последний заполненный уровень.

выполненным с РЭЯ (444). Зарядовая плотность состояний этого уровня менее локализована на сравнению с плотностью более глубокого состояния A1 одиночного дефекта AsGa [9], что приводит к большей гибридизации функций соседних дефектов GaAs в кластерах.

3. Результаты расчета и обсуждение Глубокие уровни GaAs с галлиевыми кластерами формируются из локализованных состояний t2 и резонансных состояний одиночных антиструктурных дефектов GaAs. Из разложения вырожденного состояния невзаимодействующих дефектов по неприводимым представлениям точечной группы симметрии кластера Td следует, что большинство уровней кластеров имеет симметрию 15 и 25. На рис. 1 приведена схема глубоких уровней GaAs с наибольшим кластером из 159 атомов, энергии отсчитаны относительно потолка валентной зоРис. 2. Зависимость уровня Ферми EF от числа слоев антины идеального кристалла. Щель между нижним пустым структурных дефектов N в тетраэдрических кластерах из ато(25) и верхним полностью заполненным (15) состоянимов галлия (сплошная линия) и сверхрешетке (GaAs)n(Ga)n ями равна 0.06 эВ. Анализ волновых функций глубоких (пунктирная линия). Значениями N = 1,..., 6 соответствуют уровней показывает, что они в основном происходят кластеры из 5, 29, 47, 87, 123 и 159 атомов и сверхрешетки из состояний валентной зоны, вклад от состояний зос n = N монослоями. Для кластерного материала указана ны проводимости увеличивается только до 10% для симметрия последнего заполненного состояния и степень его уровней, близких к дну зоны проводимости. Энергия, заполнения (в скобках).

симметрия и степень заполнения верхнего заполненного состояния изменяются в зависимости от размеров кластеров. В кластерах из 87 и 123 атомов это состояние Для анализа природы глубоких уровней было расимеет симметрию 25 и полностью заполнено. На рис. показано изменение уровня Ферми (EF) от числа коорди- считано распределение плотности заряда для разных национных сфер с дефектами (N) в кластере. Его поло- состояний. На рис. 3 приведена карта зарядовой плотности в плоскости (111) в пределах блока периодичности жение определено как середина щели между последним РЭЯ для одного из состояний вырожденного уровня заполнением и нижним пустым состояниями. Для малых кластеров (N = 1, 2, 3) энергия EF изменяется немоно- кластера из 159 атомов. Карты плотности для других тонно, с дальнейшим ростом N она быстро приближается состояний этого уровня получаются поворотами на к предельному значению 0.55 эВ. и 240. Максимумы суммарной плотности в основном Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 86 С.Н. Гриняев, В.А. Чалдышев вероятностью внутри кластера находятся состояния с симметрией 1, с наименьшей — состояния с симметрией 2. У вырожденных состояний (12, 15, 25) производная Z(r)/r, описывающая радиальное распределение плотности, максимальна вблизи гетерограницы. На рис. 5 для состояний с симметрией 12 и показана радиальная плотность в расчете на единицу площади сферы Sr, характеризующая среднюю плотность на единицу объема на расстоянии r от центра кластера. Внутри кластера эта плотность осциллирует, ее максимумы несколько смещены из положений координационных сфер за счет перекрывания хвостов дефектных потенциалов. Декремент затухания плотности в область GaAs составляет 3.5 и определяется средней величиной мнимой части волнового вектора наименьшей петли в комплексной зонной структуре GaAs при энергии, равной энергии глубокого Рис. 3. Зарядовая плотность одного из состояний последнего уровня.

заполненного уровня с симметрией 15 GaAs с кластерами Для выяснения происхождения локализованных соиз 159 атомов галлия в плоскости (111) в пределах сечения стояний, расположенных вблизи уровня Ферми, был РЭЯ. Контуры плотности с одинаковым значением заряда даны проведен расчет глубоких уровней кластера, в котов единицах e/(— объем РЭЯ), минимальный контур и шаг ром сделана замена атомов Ga на атомы As только между контурами равен 4. Радиус окружности соответствует в 10-й координационной сфере (24 дефекта). Последположению дефектов в 10-й координационной сфере. Треугольнее полностью заполненное состояние этого кластера никами показано положение атомов, внутри сферы находятся преобразуется по представлению 12 и имеет энергию, атомы Ga, вне окружности — атомы As (в данном сечении).

почти совпадающую с энергией состояния 15 кластера из 159 атомов. Уровни Ферми этих двух кластеров также близки, а усредненные плотности зарядов для состояний одинаковой симметрии в окрестности гетерограницы подобны (рис. 5). Некоторые отличия в энергиях соответствующих уровней кластеров приводят к согласованным сдвигам их зарядовых плотностей. У соРис. 4. Изменение величины заряда Z (в единицах e · m, m — кратность вырождения уровня) внутри сферы от ее радиуса r для последних заполненных состояний разной симметрии кластера из 159 атомов галлия: a — 1, b — 2, c — 12, d — 15, e — 25. Вертикальная пунктирная линия соответствует радиусу 10-й координационной сферы.

Рис. 5. Радиальная зарядовая плотность внешних заполненных состояний кластеров из 159 атомов галлия (сплошная линия) локализованы вблизи гетерограницы. На рис. 4 показана и 24 антиструктурных дефектов GaAs в 10-й координацизависимость величины заряда Z(r) внутри сферы от онной сфере (пунктирная линия). Вертикальные штриховые ее радиуса r для последних заполненных состояний линии соответствуют значениям радиусов координационных разной симметрии того же кластера. С наибольшей сфер (2, 4, 6, 8, 10) с дефектами.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Глубокие уровни кластеров из атомов галлия в GaAs к GaAs плоскостей из антиструктурных дефектов GaAs.

Рассчитанная зависимость энергии последнего заполненного состояния от толщины слоев сверхрешетки приведена на рис. 1. Основное изменение EF происходит на первых 2–3 монослоях, при которых взаимодействие состояний дефектов, находящихся на противоположных границах, еще существенно. При числе монослоев n = 6 энергия Ферми равна 0.64 эВ, что с учетом поправки на спин-орбитальное расщепление валентной зоны GaAs согласуется с экспериментальными данными по высоте барьера Шоттки для плоской границы GaAs–Ga(110) 0.56(0.59) эВ для p(n)-типа легирования GaAs [16]. Отметим, что стабилизация уровня Ферми GaAs с тетраэдрическими кластерами и металлическими слоями достигается примерно при Рис. 6. Плотность электронных состояний идеального криодноми томже числе (плоских или сферических) слоев сталла GaAs (крупные штрихи), сверхрешетки (GaAs)6(Ga)антиструктурных дефектов GaAs, когда взаимодействие (мелкие штрихи) и арсенида галлия с кластерами из 159 атомов состояний внешних слоев становится пренебрежимым.

галлия (сплошная линия).

Некоторое отличие их предельных значений EF можно объяснить влиянием кривизны поверхности и увеличением роли гибридизации состояний больших кластеров стояний с симметрией 12 основной заряд расположен из соседних ячеек. На рис. 6 приведены гистограммы вблизи границы металл–полупроводник. Таким образом, плотности состояний кластера из 159 атомов и сверхглубокие уровни, формирующие барьер Шоттки, опререшетки при n = 6, построенные с шагом по энерделяются состояниями, порожденными внешним слоем гии 0.15 эВ. Видно, что, несмотря на разницу в форме из антиструктурных дефектов GaAs. Закрепление уровня металлических включений, их плотности состояний во Ферми ультратонкими плоскими металлическими слоямногом подобны и в основном отличаются на множитель, ми (порядка одного монослоя) было установлено ранее пропорциональный отношению плотностей дефектов в в [13]. За счет взаимодействия состояний 10-й коордидвух материалах.

национной сферы с состояниями кластера из 123 атомов Таким образом, арсенид галлия с небольшими кластепроисходят сдвиги уровней и изменяется симметрия порами из атомов галлия является узкощелевым полупроследнего заполненного состояния, однако разность чисел водником с эффективной запрещенной зоной < 0.1эВ, состояний, вытолкнутых выше и опустившихся ниже что при достаточной плотности таких кластеров может уровня EF, совпадает с дефицитом валентных электроопределить применение данного материала в приборах нов в последнем дефектном слое, поэтому положение инфракрасного диапазона. Галлиевые кластеры выстууровня Ферми оказывается неизменным. Отметим, что пают квантовыми ямами для электронов и дырок. Позарядовые плотности кластерных состояний, связанных добные результаты можно ожидать и для других металс внешним дефектным слоем, наиболее симметричны лических микровключений (например, Al, In), у котоотносительно гетерограницы и имеют наименьший дирых атомные потенциалы и высоты барьеров Шоттки польный момент, что, в несколько другой трактовке, наблизки.

шло свое выражение в модели нулевого диполя ТерзофПоказано, что закрепление уровня Ферми и форфа [14], используемой для определения высоты барьера мирование барьера Шоттки на плоской границе меШоттки.

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.