WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1 Локализация дырок в квантовой молекуле InAs / GaAs © М.М. Соболев, Г.Э. Цырлин, Ю.Б. Самсоненко, Н.К. Поляков, А.А. Тонких, Ю.Г. Мусихин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 1 июня 2004 г. Принята к печати 16 июня 2004 г.) Методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней исследована эмиссия дырок из состояний в системе вертикально сопряженных квантовых точек InAs, в p-n-гетероструктурах InAs/GaAs в зависимости от толщины прослойки GaAs между двумя слоями квантовых точек InAs и от величины напряжения обратного смещения Ur. Было установлено, что для квантовой молекулы, состоящей из двух вертикально сопряженных самоорганизующихся квантовых точек в гетероструктуре InAs / GaAs при толщинах прослойки GaAs 20 и 40 между двумя слоями квантовых точек InAs, реализуется эффект локализации дырок в одной из квантовых точек. При толщинах прослойки GaAs 100 было обнаружено неполное связывание двух слоев квантовых точек, что приводило к перераспределению локализации дырок между верхними и нижними квантовыми точками при изменении напряжения Ur, прикладываемого к структуре. Исследуемые структуры с вертикально сопряженными квантовыми точками выращивались методом молекулярно-пучковой эпитаксии за счет эффектов самоорганизации.

1. Введение дырок в КТ. На возможность образования связанных и антисвязанных состояний для дырочных состояний В настоящее время одной из самых интересных тем в квантовых молекул в зависимости от расстояния между современной физике полупроводников являются исслеточками было указано в работах [3,6,7]. Когерентная дования эффектов сопряжения и гибридизации квантодвухуровневая система может контролироваться с помовых состояний самоорганизующихся точек. Вертикально щью коротких оптических импульсов [7] или приложенсопряженные структуры являются перспективными при ного к гетероструктуре электрического поля, приводя создании лазеров с квантовыми точками [1], элементов к изменению локализация дырок в квантовой молеоптической памяти [2] и для их возможного применения куле [8,9]. Такие исследования проводили, используя в качестве квантовых компьютеров [3]. Предполагаетэффект резонансного туннелирования [11] и измерения ся, что вертикально сопряженная система, состоящая с помощью микрофотолюминесценции [7,9]. В рабоиз двух массивов квантовых точек (КТ), разделенных тах [9,10], кроме того, исследовали усиление эффекта прослойкой между рядами КТ, может представлять гибридизации электронных состояний двух квантовых собой одиночный кубит [4]. Необходимым условием точек в зависимости от толщины барьера между ними.

для реализации одиночного кубита является квантовоРанее мы уже сообщали о наблюдении в гетерострукмеханическое связывание волновых функций двух КТ, турах InAs / GaAs с ВСКТ эффектов:

аналогичное тому, что реализуется в молекулах. Фор1) кулоновского взаимодействия носителей, локалимирование молекулярных состояний вертикально созованных в КТ, с ионизованными дефектами решетки, пряженных квантовых точек (ВСКТ) привлекает прирасположенными в ближайших окрестностях КТ;

стальное внимание как теоретиков [3–7], так и экспе2) квантово-размерного эффекта Штарка [12,13].

риментаторов [7–11]. В теоретической работе [5] было Проявление каждого из них связано со смещением показано, что две КТ в зависимости от расстояния между положения пика DLTS (нестационарная спектроскопия ними могут находиться либо в фазе атомной единичной глубоких уровней). В эффекте кулоновского взаимоточки, либо молекулы. При малом расстоянии между действия смещение пика зависит от условий предвариточками должно реализоваться условие сильной связи тельного изохронного отжига (наличия или отсутствия и пара поведет себя как единичная точка. При большом при отжиге приложенного обратного напряжения) и расстоянии они поведут себя как несвязанные точки. Как определяется образованием диполя, встроенное элекпоказано в работе [5], при промежуточном расстоянии тростатическое поле которого изменяет высоту барьеони должны вести себя уже как новый тип молекулы.

ра для эмиссии носителей. В эффекте Штарка оно При сопряжении квантовых точек должно происходить определяется сильной зависимостью положения уровней расщепление уровней на связанные и антисвязанные энергии состояний ВСКТ от величины приложенного состояния, положение этих уровней будет зависеть от внешнего электрического поля. Проявление этих двух расстояния между точками [3–6]. Из результатов теоэффектов позволяет сопоставить наблюдаемые пики ретической работы [2] следовало, что образование свяDLTS с квантовыми состояниями в гетероструктурах занных и антисвязанных состояний может происходить InAs / GaAs с ВСКТ, а также определить, являются ли лишь для электронных состояний квантовой молекулы, они уровнями локализованных, связанных и антисвязандля квантовых же состояний дырок, по мнению авторов ных s- и p-состояний ВСКТ. Применение этого подхода статьи [8], из-за большой эффективной массы дырок образования связанных и антисвязанных состояний про- для структуры ВСКТ, состоящей из 6 рядов квантовых исходить не будет, а должна возникать локализация точек InAs, разделенных прослойкой GaAs толщиной 9 132 М.М. Соболев, Г.Э. Цырлин, Ю.Б. Самсоненко, Н.К. Поляков, А.А. Тонких, Ю.Г. Мусихин dGaAs = 40, позволило нам установить, что для такого в работе [14]. Было показано, что ВСКТ формируются рода системы сопряженных точек происходит образо- благодаря эффекту самоорганизации, включающему в вание связанных и антисвязанных s- и p-состояний себя перенос InAs от нижних точек к верхним и заменой дырок [12,13]. его на GaAs [14]. Как видно из рис. 1, латеральные В данной работе представлены результаты вольт- размеры нижних островков в системе ВСКТ InAs с фарадных и DLTS-исследований квантовых состояний dGaAs = 20, 40 не превышают 170. Латеральные разInAs / GaAs-гетероструктур с двумя рядами вертикально меры верхних островков увеличиваются до 210-220.

сопряженных точек в зависимости от толщины про- Для структуры с толщиной прослойки dGaAs = слойки GaAs и от величины напряжения обратного латеральные размеры нижних и верхних островков в смещения Ur. Исследуемые InAs / GaAs-гетероструктуры системе ВСКТ InAs равны и имеют размеры 200-230.

с вертикально сопряженными квантовыми точками выра- Были проведены измерения C-V -характеристик p-nщивались методом молекулярно-пучковой эпитаксии за гетероструктур InAs / GaAs с ВСКТ при температуре счет эффектов самоорганизации. T = 82 K. Изменения емкости при варьировании напряжением смещения Ur для всех структур демонстрировали типичное для локализованных состояний пове2. Образцы и методы исследования дение [12]. В профилях распределения концентрации свободных дырок p(Ur) для структур с dGaAs = 20, Исследуемые в работе InAs / GaAs-гетероструктуры с (рис. 2, кривые 1 и 2), рассчитанных с использованием ВСКТ были получены методами молекулярно-пучковой этих данных при T = 82 K, наблюдалось по одному пику, эпитаксии на подложках n+-GaAs с ориентацией (100).

проявление которых связано с опустошением носитеМассив КТ был сформирован в результате двухкратного лей, аккумулированных на квантовых состояниях точек.

осаждения 2 монослоев InAs, разделенных прослойкой В профилях дырок p(Ur) для структур с dGaAs = GaAs толщиной 20, 40 и 100. ВСКТ были поме(рис. 2, кривая 3) наблюдалось 2 пика.

щены в середину p0-GaAs толщиной 0.90 мкм. Сверху Из C-V -измерений были определены диапазоны наслой p0-GaAs был покрыт p+-GaAs. DLTS-исследования пряжений смещения, при которых в спектрах DLTS глубоких ловушек в гетероструктурах производились должны наблюдаться сигналы, связанные с эмиссией с помощью спектрометра DL4600 фирмы BIO-RAD, носителей из состояний ВСКТ. Для определения проработающего в режиме двухстробного интегрирования.

странственной локализации DLTS-сигналов и природы Для проведения DLTS-измерений на подложку n+-GaAs уровней, связанных с этими сигналами, были провеи слой p+-GaAs были термически осаждены омические дены измерения спектров при постоянной величине контакты. Перед каждым DLTS-измерением образец изонапряжения импульса заполнения Uf и при варьирохронно отжигался в течение 1 мин при фиксированной вании величины напряжения, при которой регистритемпературе и при одном из условий: приложенном ровался DLTS-сигнал Ur. Результаты, полученные с (Ura < 0) или нулевом (Ura = 0) напряжении обратнопомощью просвечивающей электронной микроскопии, го смещения. Предварительно образец нагревался до 450 K и выдерживался в течение 1 мин с напряжением обратного смещения Ura = 0, если отжиг проводился при Ura < 0, а затем охлаждался до температуры отжига.

При отжиге с Ura = 0 образец выдерживался предварительно с Ura < 0. Температура отжига варьировалась в пределах 80-450 K. После этого образец охлаждался до T = 80 Kпри одномиз 2 условий: Ura < 0, Ura = 0. Далее начинался процесс DLTS-измерений в темноте, если это не оговаривалось предварительно, или при освещении белым светом. Для определения профиля распределения носителей в гетероструктурах были проведены вольтфарадные (C-V ) измерения. Энергия термической активации Ea и сечения захвата носителей заряда ловушками n,p определялись с применением вариации окна темпов в стандартных DLTS-измерениях.

3. Результаты и их обсуждение На рис. 1 представлены микрофотографии образцов Рис. 1. Микрофотографии поперечного сечения образцов с 2 слоями КТ InAs, разделенных прослойкой GaAs с 2 слоями квантовых точек InAs и толщиной прослойки толщиной dGaAs = 20, 40 и 100, полученные методом GaAs между ними dGaAs, : a — 20, b — 40, c — 100.

просвечивающей электронной микроскопии. Механизм Изображения получены методом просвечивающей электронобразования ВСКТ InAs / GaAs был подробно исследован ной микроскопии.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Локализация дырок в квантовой молекуле InAs / GaAs ния определяются электростатическими бистабильными диполями, образуемыми носителями, локализованными в КТ, и ионизованными глубокими дефектами, что является характерным признаком, служащим для идентификации пиков DLTS с состояниями КТ [12]. Это позволило сопоставлять пики с квантовыми состояниями ВСКТ. Для пиков DLTS, атрибутируемых таким образом, была обнаружена также зависимость их положения от величины Ur. Как было отмечено выше, для структуры с толщиной прослойки GaAs 100 наблюдалось три пика HD1100, HD2100 и HD3100 (рис. 3, a). Были построены зависимости температурного положения их максимумов от величины Ur (рис. 4, кривые 5–7). Для максимума пика HD1100 (кривая 5) наблюдалось смещение в область высоких температур с ростом абсолютной Рис. 2. Концентрационные профили p(Ur) для гетероструквеличины Ur. Максимум пика HD2100 при изменении тур p-n-InAs / GaAs с 2 слоями квантовых точек InAs в матриUr от -0.5 до -1.0В (кривая 6) смещается в область це GaAs с различными толщинами прослойки dGaAs, : 1 — 20, низких температур, а затем (от -1.0 до -1.5В) в сторо2 — 40, 3 — 100. Профили определены из C-V -измерений ну высоких температур, что соответствует изменению при T = 82 K после предварительного изохронного отжига при энергии термической активации от 395 до 267 мэВ, а Ura < 0.

затем до 285 мэВ. Для пика HD3100 (кривая 7) удалось наблюдать только смещение положения пика в область низких температур при изменении Ur от -1.25 до демонстрируют для структур с толщиной прослойки -1.5 В, что соответствовало изменению Ea от 486 до dGaAs = 20 и 40 между слоями InAs наличие двухслойной системы КТ, электронно-сопряженных в вертикальном направлении. Волновые функции островков перекрываются, и электронные свойства ВСКТ представляют собой единый объект. Для структур с толщиной прослойки dGaAs = 100 также наблюдается образование двухслойной системы КТ, но без их сопряжения в вертикальном направлении. Верхние и нижние КТ имеют приблизительно равные латеральные размеры и для этого случая наблюдается два ряда изолированных КТ. C-V -исследования показывают наличие в профилях p(Ur) исследуемых структур пиков, связанных с аккумуляцией носителей на кванатовых состояниях ВСКТ, каждому из которых, как показали результаты наших DLTS-исследований, соответствуют пики спектров DLTS (рис. 3, a, b). Для структур с двумя слоями КТ, имеющих прослойки толщиной dGaAs = 20 (40), имелось два DLTS-пика: HD120(40) и HD220(40), наблюдаемых при изменении Ur в диапазонах: от -1.25 до -0.25 и от -0.25 до 0.25 В (рис. 3, b). DLTS-спектр структуры с прослойкой GaAs толщиной dGaAs = 40 не показан, его вид —такой же, как для структуры с dGaAs = 20.

Структуры с dGaAs = 100 в том же диапазоне изменения Ur имели также два DLTS-пика (HD1100 и HD2100), а при достижении величины Ur 1.35 В появляется еще один DLTS-пик (HD3100) (рис. 3, a).

Для определения природы этих уровней были проведены исследования зависимости спектров DLTS от услоРис. 3. Спектры DLTS для p-n-гетероструктур с 2 слоями вий предварительного изохронного отжига (Ura < 0 или квантовых точек InAs в матрице GaAs с толщинами прослойки Ura = 0) при тех значениях Ur при которых наблюдались dGaAs, : a — 100, b — 20, при напряжениях импульса обратхарактерные изменения в поведении спектров DLTS [12].

ного смещения Ur, В: 1 — 0.08, 2 — (-1.35), 3 — (-0.27), Для отмеченных нами DLTS-пиков всех структур мы 4 — 0.02. Все спектры получены для окна темпов эмиссии наблюдали смещения их положения по температуре 200 с-1, напряжении импульса заполнения Uf = 0.5В и его при изменении условий изохронного отжига. Смеще- длительности 25 мкс.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 134 М.М. Соболев, Г.Э. Цырлин, Ю.Б. Самсоненко, Н.К. Поляков, А.А. Тонких, Ю.Г. Мусихин 4. Заключение Таким образом, установлено, что для квантовой молекулы, состоящей из двух вертикально сопряженных самоорганизующихся КТ в гетероструктурах InAs / GaAs при толщинах прослойки GaAs 20 и 40 между двумя слоями КТ InAs реализуется эффект локализации дырок в одной из КТ. При толщинах прослойки GaAs было обнаружено неполное связывание двух слоев КТ, что приводит к перераспределению локализации дырок между верхними и нижними КТ при изменении напряжения обратного смещения, прикладываемого к структуре.

Работа выполнена при поддержке научной программы „Физика твердотельных наноструктур“ и РФФИ (проект Рис. 4. Зависимости температурного положения пиков DLTS № 00-02-16848).

от величины импульса напряжения Ur: HD120 (1), HD220 (2), HD140 (3), HD240 (4), HD1100 (5), HD2100 (6) и HD3100 (7).

Список литературы [1] M.V. Maximov, Yu.M. Shernyakov, A.F. Tsatsul’nikov, 431 мэВ. Наблюдаемые зависимости могут быть связаны A.V. Lunev, A.V. Sakharov, V.M. Ustinov, A.Yu. Egorov, с проявлением двух эффектов:

A.E. Zhukov, A.R. Kovsh, P.S. Kop’ev, L.V. Asryan, Zh.I. Alfe1) понижение барьера для термоэмиссии в результате rov, N.N. Ledentsov, D. Bimberg, A.O. Kosogov, P. Werner.

проявления полевого эффекта [15];

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.