WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1 Долгоживущие фотоэффекты в p-i-n гетероструктурах GaAs/AlGaAs с двойными квантовыми ямами © С.И. Дорожкин¶, В.Б. Тимофеев, Й. Хвам Институт физики твердого тела Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия Danmarks Tekniske Universitet, Microelectronics Center, III–V Nanolab, 2800 Lyngby, Denmark (Получена 13 июня 2000 г. Принята к печати 16 июня 2000 г.) В планарной p-i-n гетероструктуре GaAs/AlGaAs с двумя туннельно-связанными GaAs квантовыми ямами в условиях лазерной подсветки ( = 633 нм) обнаружены скачки электрической емкости между p- и n-областями, происходящие как при изменении температуры (в области T 2K), так и при изменении приложенного к структуре постоянного напряжения. Обнаружен эффект памяти в исследуемом явлении, проявляющийся в долгом времени жизни обнаруженных аномалий после выключения подсветки. Выполнены самосогласованные расчеты распределения заряда и электрического поля для структуры, в которой в слоях AlGaAs присутствует донорная примесь, ответственная за возникновение DX-центров, обеспечивающих долгоживущую фотопроводимость. Продемонстрирована возможность появления скачков емкости в такой структуре и определены значения параметров, при которых они появляются.

Значительный интерес к оптическим свойствам по- квантовые ямы GaAs (слои 3 и 5) шириной 8 нм каждая, лупроводниковых гетероструктур с двойными кванто- разделенные барьером AlGaAs (слой 4) шириной 5 нм.

выми ямами [1–7] связан с надеждами обнаружить Квантовые ямы находятся внутри p-n-перехода, обрав таких структурах коллективные эффекты в системе зованного слоями n-GaAs (слой 1) и p-GaAs (слой 7), пространственно-непрямых экситонов: в первую очередь что обеспечивает наличие значительного встроенного теоретически предсказанное [8] явление их конденсации электрического поля, перпендикулярного слоям, даже при достижении критических условий (см. также рабо- в отсутствие внешнего напряжения, приложенного к ты [9–13]). Эти надежды основаны на большом времени структуре. Слои n- и p-GaAs легированы соответственно жизни непрямых экситонов, образованных дыркой и Si и Be с концентрациями 2 · 1018 см-3 и 1 · 1018 см-3.

электроном, находящимися в пространственно разделенПри изготовлении образцов слои 1–7 (и частично подных квантовых ямах, и связанной с этим возможностью ложка 0) стравливались с большей части пластины, получения системы экситонов высокой плотности при оставляя столбик (мезу) из эпитаксиально выращенных достаточно низкой температуре. При достижимых плотслоев с размерами 1.6 1.7мм2. Контакты к подложке ностях экситонов их конденсация ожидается в области и слою p-GaAs создавались с использованием сплава гелиевых температур и должна носить черты фазового германия, никеля и золота. Металлическая контактная перехода. Экспериментально дйствительно были обнаруплощадка к слою 7 p-GaAs имела форму рамки с жены сильные изменения в оптических спектрах ряда поплощадью 0.96 мм2 и закрывала только часть поверхлупроводниковых гетероструктур [5–7] с двойными кванности мезы. Для измерений низкочастотного импеданса товыми ямами, происходящие в узких диапазонах темпеобразца переменное напряжение от звукового генератора ратур. В данной работе нами приводятся результаты по прикладывалось между подложкой 0 и рамкой, а две наблюдению скачков на зависимостях низкочастотного компоненты тока через структуру: активная (в фазе с импеданса образцов, использовавшихся в работах [6,7], приложенным напряжением) и реактивная (сдвинутая от температуры и электрического поля, приложенного относительно приложенного напряжения на 90) измерявдоль оси роста структур. Эти скачки происходят обратились с использованием фазочувствительного усилителя мым образом в условиях непрерывной подсветки, а также переменного тока. В данной работе будут приведены могут наблюдаться на засвеченных образцах и после ее только результаты, полученные на низких частотах (оковыключения. Таким образом, вызванные подсветкой изло 10 Гц) и в условиях, когда емкостная компонента менения в образце при гелиевой температуре обладают тока значительно превышает активную. Для изменения большим временем жизни. Анализируются возможности электрического поля в образце между подложкой и рамобъяснения наблюдающихся особенностей низкочастоткой могло дополнительно прикладываться постоянное ного импеданса, на которые указывает существование напряжение обеих полярностей. Особенностями данных долгоживущих фотоэффектов.

образцов являются следующие. 1) В отсутствие подсветАрхитектура исследованной гетероструктуры, выраки в области температур ниже 10 K происходит выморащенной методом молекулярно-пучковой эпитаксии, покаживание проводимости по слою p-GaAs (слой 7) [14], зана на вставке к рис. 1. Структура включает в себя две т. е. проводимость этого слоя экспоненциально падает ¶ E-mail: dorozh@issp.ac.ru при понижении температуры. Так что в условиях, при Долгоживущие фотоэффекты в p-i-n гетероструктурах GaAs/AlGaAs с двойными квантовыми ямами Рис. 1. Температурные зависимости емкости C, измеренной между подложкой и металлической рамкой при двух значениях относительной интенсивности света Pl/P0, показанных около кривых. Сплошные (штриховые) кривые измерены при понижении (повышении) температуры. На вставке показана архитектура слоев исследуемой гетероструктуры.

которых была выполнена основная часть измерений и отогреве образца и неустойчивостей, проявляющихся (T 2K), эффективная площадь обкладок исследуемого в высоком уровне шумов (эти неустойчивости очень плоского конденсатора близка к площади металлической хорошо видны на кривых, измеренных при Pl/P0 = 1).

рамки. 2) Металлическая рамка практически не пропус- Температура, при которой наблюдается скачок в емкости, кает свет видимого диапазона, поэтому появление фото- растет при увеличении мощности подсветки. Этот факт возбужденных носителей под рамкой возможно либо за прямо указывает на вторичную роль тепловых эффектов, счет рассеянного света, падающего наклонно к плоско- связанных с освещением образца, если они вообще сти гетероструктуры, либо за счет диффузии носителей имеют какое-либо значение. Величина скачка в емкости из других областей образца. Засветка образца осуще- зависит от постоянного напряжения между подложкой и ствлялась через световод от гелий-неонового лазера с рамкой, как это демонстрирует рис. 2. Соответствующая энергией кванта 1.95 эВ, превышающей величину запре- зависимость величины скачка от напряжения также имещенной щели во всех полупроводниковых материалах, ет резкую особенность, как это следует из рис. 3. Из использованных в исследуемой структуре. Относитель- этого рисунка очевидно существование двух различных ная величина интенсивности светового пучка Pl/P0, па- величин скачков на температурной зависимости емкости:

дающего на мезу, контролировалась при помощи прямых C 20 пФ при V < 0.1В, и C 70 пФ при измерений, осуществлявшихся вне криостата. Здесь P0 — 0.15 В < V 0.4 В. Отметим, что мы не будем обсумаксимальная использовавшаяся абсолютная величина ждать эффекты, происходящие при больших значениях интенсивности, которая, по нашим оценкам, составляла прямого напряжения V > 0.5 В, где происходит быстрое возрастание диссипативного тока, и он очень быстро около 100 мкВт. Типичная температурная зависимость превосходит ток емкостной. Добавим, что в отдельных емкости между металлической рамкой и проводящей экспериментах, выполненных при постоянной подсветке, подложкой в условиях непрерывной подсветки показана было проверено, что скачок емкости происходит синна рис. 1, где хорошо виден значительный скачок в хронно с перестройкой спектра люминесценции образца.

емкости, происходящий в узком интервале температур шириной в несколько сотых градуса. Для скачка ти- Если все описанные выше результаты были получены пично наличие небольшого гистерезиса при охлаждении в условиях непрерывной подсветки, то теперь мы кос7 Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 100 С.И. Дорожкин, В.Б. Тимофеев, Й. Хвам Рис. 2. Температурные зависимости емкости, измеренные при Pl/P0 = 0.43 и двух значениях напряжения на структуре, указанных около кривых. На вставке — зависимости, измеренные при наличии постоянной подсветки (1), а также в темноте после выключения подсветки, произведенной в низшей температурной точке (2 и 3). Стрелками около кривых показано направление изменения температуры. V = 0.4В.

немся результатов, полученных в темновых условиях, после засветки образца скачков в емкости при низкой где использование емкостной методики позволило нам температуре, происходящих обратимо при изменении обнаружить эффекты памяти в исследуемом явлении, напряжения на структуре (см. вставку к рис. 3). Время связанные с разовой засветкой образца при гелиевой жизни последнего эффекта составляет по крайней мере температуре (соответствующие данные представлены на часы.

вставках к рис. 2 и 3). Отметим прежде всего, что Прежде чем переходить к обсуждению возможных без хотя бы однократной засветки образца после его причин наблюдаемых эффектов, мы хотели бы отметить, охлаждения в темноте от комнатной до гелиевой темпе- что в наших условиях измеряемая величина емкости ратуры никаких скачков в емкости наблюдать не удается. прямо пропорциональна площади верхней проводящей Один из примеров эффекта памяти демонстрируется обкладки конденсатора и обратно пропорциональна толданными, показанными на вставке к рис. 2 (кривая 2). Из щине диэлектрической области между подложкой и рамэтих данных видно, что скачок емкости при повышении кой, где происходит падение электрохимического потентемпературы может наблюдаться и в темноте, если перед циала. Учитывая упомянутый при описании образцов этим образец был охлажден в условиях постоянной эффект вымерзания проводимости слоя p-GaAs, в настоподсветки ниже температуры, при которой произошел ящее время мы не можем однозначно сказать, связаны скачок в емкости (кривая 1), и выключение света осуще- ли наблюдаемые скачки емкости с изменением эффекствлено в этом низкотемпературном состоянии. Хотя в тивной площади обкладок конденсатора или толщины таких темновых условиях ширина скачка по температуре слоя диэлектрика. Очевидно, однако, что в любом случае больше, чем при непрерывной подсветке. Кроме того, без эти скачки связаны с изменением электрического поля, перпендикулярного слоям структуры, в значительном подсветки этот скачок является необратимым, так как объеме образца.

на температурных зависимостях емкости засвеченного образца, измеряемых при охлаждении в темноте от 4.2 K Мы начнем обсуждение экспериментальных результавплоть до 1.4 K, скачки не наблюдаются (кривая 3). тов с вопроса о механизме долгоживущего фотоэффекта Второй тип эффектов памяти заключается в появлении в емкости образца и постараемся проанализировать, каФизика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Долгоживущие фотоэффекты в p-i-n гетероструктурах GaAs/AlGaAs с двойными квантовыми ямами Рис. 3. Зависимости емкости от напряжения V на структуре, измеренные при Pl/P0 = 0.75 и двух разных температурах: T = 1.и 2.2 K. Сплошные (штриховые) кривые соответствуют развертке V в положительном (отрицательном) направлении. На вставке — зависимости C(V ), измеренные в темноте до первой подсветки (сплошная линия 1) и после выключения подсветки (штриховая и пунктирная линии 2 и 3). T = 1.4K.

кие возможности для скачков емкости возникают в связи в электрическом поле и заполнение всех электронных с существованием этого эффекта в наших образцах. Его состояний, оказывающихся ниже уровня электрохимисуществование наиболее естественно связать с хорошо ческого потенциала в образце. В расчете мы учли известным эффектом возбуждения светом долгоживущей эффект размерного квантования движения электронов в фотопроводимости в AlGaAs, легированном донорной квантовых ямах, а также конечную величину плотности примесью, образующей так называемые DX-центры. Этот состояний в каждой из подзон размерного квантования, эффект состоит в возбуждении электрона в зону про- равную m/, где m 0.17me — эффективная водимости и переводе DX-центра в такое состояние, масса электронов в GaAs. Мы приняли расстояние от при котором возвращение электрона на центр требует дна ямы до дна нижней подзоны равным 34 мэВ, что преодоления довольно высокого потенциального барье- соответствует яме шириной 8 нм с высотой стенок 0.3 эВ ра. В присутствии в структуре электрических полей и пренебрежению туннельной связью между ямами. Расфотовозбужденные электроны будут смещаться под их чет не вызывает никаких трудностей для равновесновоздействием и скатываться в потенциальные ямы [15] го случая, когда отсутствует напряжение, приложенное при наличии таковых. Для расчета распределения та- между слоями n-GaAs и p-GaAs, а электрохимический ких электронов в неоднородных полупроводниковых потенциал постоянен по всему образцу и совпадает с структурах в первом приближении можно рассматри- дном зоны проводимости в слое n-GaAs и потолком вать засвеченные слои AlGaAs как слои с очень мел- валентной зоны в слое p-GaAs (т. е. предполагается кой донорной примесью. В таком предположении нами высокая плотность электронных состояний в этих слоях).

были сделаны самосогласованные расчеты распределе- Результат такого расчета показан на рис. 4 сплошной ния плотности электронов и электрического поля для линией для случая концентрации DX-центров в AlGaAs структур GaAs/AlGaAs с последовательностью слоев, Nd = 1.6 · 1016 см-3. Расчет демонстрирует возможность соответствующей нашим образцам. Расчет состоит в существования в такого типа структурах трех эффектов:

вычислении распределения заряда и потенциала, учиты- заполнение долгоживущими фотовозбужденными элеквающем изменение положения дна зоны проводимости тронами одной или обеих квантовых ям GaAs, а также Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 102 С.И. Дорожкин, В.Б. Тимофеев, Й. Хвам Рис. 4. Расчетные зависимости изменения положения дна зоны проводимости Ec для исследованных структур в направлении z, перпендикулярном слоям, для случаев V = 0 (сплошная кривая) и V = 0.4В (штриховая кривая). Значение z = 0 выбрано на границе слоев n-GaAs и AlGaAs. На вставке область структур около квантовых ям показана в увеличенном масштабе, там же показаны положения 1 доньев нижних подзон размерного квантования в обеих ямах. Поведение электрохимического потенциала показано пунктирной и штрихпунктирной линиями. При расчете использовалось значение концентрации DX-центров Nd = 1.6 · 1016 см-3, сдвиг зоны проводимости на границе GaAs/AlGaAs принимался равным 0.3 эВ, а ширина запрещенной зоны в GaAs —1.5 эВ.

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.