WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 2 Резонансы в массиве квантовых точек InAs, управляемые внешним электрическим полем © В.Г. Талалаеↇ¶, Б.В. Новиков†, А.С. Соколов†, И.В. Штром†, J.W. Tomm, Н.Д. Захаров‡, P. Werner‡, Г.Э. Цырлинv, А.А. Тонкихv † Институт физики им. В.А. Фока, Санкт-Петербургский государственный университет, 198504 Петродворец, Россия Max-Born-Institut fr Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, 12489 Berlin, Germany ‡ Max-Planck-Institut fr Mikrostrukturphysik, Weinberg 2, 06120 Halle (Saale), Germany v Санкт-Петербургский Физико-технический научно-образовательный комплекс Российской академии наук, 195220 Санкт-Петербург, Россия (Получена 27 июня 2006 г. Принята к печати 4 июля 2006 г.) Исследована фотолюминесценция многослойных структур с квантовыми точками InAs, выращенными в p-n-переходе в GaAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Образование вертикальных колонок квантовых точек подтвреждено данными просвечивающей электронной микроскопии. Показано, что естественное увеличение от слоя к слою размеров квантовых точек приводит к их вертикальному объединению вверху колонки. Разбалансирование электронных уровней, вызванное укрупнением квантовых точек, было компенсировано внешним электрическим полем, и достигнут резонанс основных электронных состояний в колонке. Наступление резонансов контролировалось методами фотолюминесценции: стационарной и с временным разрешением. Показано, что при резонансе растут интенсивность фотолюминесценции, излучательное время жизни экситонов (до 0.6-2нс) и становится малым время туннелирования носителей (менее 150 пс). Вне резонанса туннелирование электронов существенно ускоряется участием продольных оптических фононов. Если участвуют только эти фононы, то время нерезонансного туннелирования между квантовыми точками становится меньше, чем время релаксации носителей из барьера (100 и 140 пс соответственно).

PACS: 73.21.-b, 73.63.Kv, 78.67.-n 1. Введение слоев [6,8,9]), а также внешних воздействий (температура [6,8] и мощность засветки [10]) на взаимодействие В последнее десятилетие разработки в области кван- слоев КТ. В работе [6] нами было установлено также товой логики (операторы стробирования, однозарядовая влияние встроенного поля барьера Шоттки на спектры память) стали ориентироваться на квантовые точки ФЛ СРКТ InAs/GaAs.

(КТ), получаемые на промышленных полупроводнико- В данной статье мы представляем развитие этих исвых подложках [1,2]. Как правило, такие операции осно- следований и показываем возможность управления резованы на явлении туннелирования в квантовой среде. нансом между неидентичными вертикально-связанными Известно [3,4], что резонансное туннелирование между КТ при подаче внешнего электростатического поля, ориидентичными квантовыми ямами (КЯ) является основ- ентированного вдоль колонок. Ранее зарекомендовавший ным типом транспорта носителей заряда в сверхрешет- себя метод экситонной спектроскопии (стационарной и ках. В отличие от КЯ самоорганизованные КТ имеют с временным разрешением) применялся для контроля значительные флуктуации размеров. По этой причине изгиба зон, туннелирования и резонанса между состояуправление процессом туннелирования между КТ в ниями СРКТ.

плоскости роста затруднено. В многослойном массиве распределение размеров КТ по вертикали становится 2. Методика эксперимента гораздо более предсказуемым и управляемым [5]. Это относится к вертикально-упорядоченным массивам, коОбразцы выращивались методом молекулярно-пучкоторые могут быть названы сверхрешетками с квантовывой эпитаксии на подложках GaAs (100) n-типа проводими точками (СРКТ). Для применения СРКТ в квантовых мости. На первой стадии роста формировался буферный операторах должен быть подробно исследован вертислой n-GaAs толщиной 200 нм и слой нелегированнокальный транспорт носителей в колонках КТ.

го GaAs толщиной 30 нм. Затем следовало осаждение В предшествующих публикациях методом экситонной 9 слоев с КТ InAs, разделенных слоями спейсера GaAs фотолюминесценции (ФЛ) изучалось влияние структолщиной 9 нм, т. е. СРКТ. Эффективная толщина осатурных параметров (толщина спейсера [6,7] и число ждаемого InAs для каждого слоя составляла 2 монослоя, ¶ E-mail: talalaev@mpi-halle.mpg.de скорость осаждения — 0.1 монослоя в секунду при 204 В.Г. Талалаев, Б.В. Новиков, А.С. Соколов, И.В. Штром, J.W. Tomm, Н.Д. Захаров, P. Werner...

Рис. 1. a, b — темнопольные ПЭМ-изображения поперечного сечения двух колонок КТ в 9-слойной СРКТ InAs/GaAs, полученные в химически чувствительном отражении (200) от разных участков СРКТ. c — площадь поперечного сечения КТ и рассчитанная для нее энергия основного состояния КТ в зависимости от номера КТ (N) в колонке (см. b). a, b, c имеют общую ординату.

Нормировка поперечного сечения осущеcтвлена делением на сечение КТ с N = 1. d — ПЭМ-изображение поперечного сечения АКТ (N = 7 и 8), полученное с высоким разрешением; контур проведен по геометрическому месту точек исчезновения контраста от полос решетки (200) и (020), что соответствует содержанию индия 0.2.

температуре 485C. Все слои GaAs выращивались при лась от 10 до 150 Вт/см2. Сигнал ФЛ диспергировался температуре 580C. Для достижения однородности раз- монохроматором и регистрировался охлаждаемым гермеров КТ в плоскости роста после осаждения каждого маниевым фотодетектором. Все спектры ФЛ проходили нормировку на спектральную чувствительность измерислоя InAs делалась пауза длительностью 60 с. Сверху тельного тракта. ФЛ с временным разрешением (ФЛВР) СРКТ заращивалась слоями GaAs — нелегированного измерялась при 10 K и возбуждении импульсами титан(30 нм) и p-типа проводимости (50 нм). Формирование сапфирового лазера длительностью 100 фс с частотой КТ контролировалось in situ для каждого слоя InAs меследования 82 МГц. Энергия фотонов возбуждения сотодом дифракции быстрых электронов на отражение. Таставляла 1.57 эВ, плотность в импульсе 6 · 11 см-2.

ким образом, создавалась p-i-n-структура с собственСигнал ФЛ синхронно детектировался стрик-камерой, ной областью 140 нм, в которой размещалась 9-слойная установленной на выходе монохроматора. Временное СРКТ. Омические контакты к структуре формировались разрешение системы было не хуже 15 пс. Подача внешнапылением через маску золота сверху (к p-GaAs) и него смещения на структуру осуществлялась от стабииндия с обратной стороны (к n-GaAs).

лизированного источника постоянного напряжения.

Структурные свойства выращенных СРКТ исследовались методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) в дифракционно-контрастном режиме 3. Экспериментальные результаты на микроскопе Phillips CM20 (ускоряющее напряжение 200 кВ) и на микроскопе JEM 4010 (400 кВ) в Изображения поперечного сечения двух колонок КТ, режиме высокого разрешения. Измерения стационарной полученные ПЭМ от различных участков одной из ФЛ проводились при температуре 5 K в стандартном СРКТ, представлены на рис. 1, a, b. Воспроизведение режиме регистрации по переменному сигналу. Для воз- упругих напряжений от слоя к слою приводит к вербуждения ФЛ использовалась линия 488 нм (2.54 эВ) тикальному упорядочению КТ InAs в колонку, аккумуаргонового лазера или диапазон от 1.25 до 1.75 эВ пе- ляция этих напряжений — к укрупнению КТ в колонке.

рестраиваемого титан-сапфирового лазера непрерывного Поперечное сечение КТ увеличивается монотонно для действия. Плотность мощности возбуждения варьирова- первых 6 слоев (1 N 6), как показано на рис. 1, c.

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Резонансы в массиве квантовых точек InAs, управляемые внешним электрическим полем составлять до 30%. В пределах стабильности параметров роста образцы, полученные в различных технологических опытах, имели несколько различную организацию массива КТ. Так, например, мы получали структуры, в которых АКТ возникала на 6-м или 8-м слое СРКТ.

Оптоэлектронные свойства таких образцов тем не менее были качественно схожими со свойствами контрольного образца, в котором АКТ формировалась на 7-м слое. Это обстоятельство позволяет нам говорить о воспроизводимости результатов, представленных в данной работе.

Спектр ФЛ СРКТ состоял из двух полос (рис. 2, a):

высокоэнергетической между 1.1 и 1.2 эВ (полоса S) и низкоэнергетической вблизи 1 эВ (полоса A). Обе эти полосы связываются нами с излучательной рекомбинацией носителей (экситонов) в СКТ и АКТ соответственно [6].

На рис. 2, a представлены спектры стационарной ФЛ для разного внешнего напряжения и, приложенного к СРКТ. Обе полосы показывают различную чувствительность к внешнему электрическому полю. Это различие отчетливо видно из рис. 2, b. Под действием обратного (отрицательного) смещения A-полоса исчезает первой из спектра ФЛ. Более сильные поля этой полярности гасят также и S-полосу. В исходном спектре ФЛ S-полоса имеет трехкомпонентную структуру. Исчезновение S-полосы при обратном смещении начинается с „синей“ Рис. 2. a — спектры стационарной ФЛ СРКТ во внешкомпоненты. Пороговые значения полей, при которых нем электрическом поле. Смещение (сверху вниз) U =+1, 0, исчезали A- и S-полоса, зависели от мощности возбу-1, -2, -3 В; энергия фотонов возбуждения 1.47 эВ, плотждения ФЛ, как показано на рис. 2, b. Этот эффект ность мощности возбуждения 150 Вт/см2, температура 5 K.

связан с компенсирующим действием фотоэдс, вызванПунктирные линии — разложение S-полосы на три гауссиана ной генерацией светом свободных носителей в области для смещений +1 и -3В. b — амплитуда ФЛ как функция приp-n-перехода. Во избежание этого эффекта, а также ложенного смещения для A-полосы (1–3) и S-полосы (1 –3 ) для предотвращения влияния возбужденных состояний при плотностях мощности возбуждения, Вт/см2: 1, 1 — 10;

КТ все последующие измерения ФЛ проводились при 2, 2 — 20; 3, 3 — 60; энергия фотонов возбуждения 2.54 эВ.

минимально возможной плотности возбуждения (для ФЛВР — не более одной электронно-дырочной пары в одной КТ) и с энергией фотонов, близкой к ширине заТакое поведение является типичным для обычных стекипрещенной зоны барьера GaAs, равной 1.52 эВ при 10 K.

рованных КТ InAs (СКТ/SQD). Толщина спейсера между На рис. 3, a представлены результаты обработки спеквершиной нижележащей СКТ и основанием следуютров стационарной ФЛ, полученных при возбуждении щей в колонке существенно не меняется и составляет фотонами с такой энергией, когда происходит генерация 4нм для 1 N 6. Для одинакового зазора между электронно-дырочных пар в возбуждении смачивающем смачивающими слоями (9нм) это значение определяет слое (рис. 2, a). При увеличении обратного смещения неизменную высоту КТ ( 5нм). На 7-м слое колонка A-полоса испытывает „синий“ сдвиг на 10 мэВ. На начинает расти аномально. КТ этого слоя (N = 7) имеет рис. 3, b показано изменение интегральной интенсивно размер, нарушающий монотонный ход кривой (рис. 1, c).

сти ФЛ в A-полосе (J) при изменении внешнего смещеПоперечное сечение и высота 7-й КТ в 2 раза больше ния. Хорошо различим максимум интенсивности, припо сравнению с предыдущей КТ (N = 6). Следующая КТ ходящийся на нулевое смещение. В этих экспериментах (N = 8), напротив, очень мала. ПЭМ высокого разревозбуждение производилось при энергии выше S-полосы шения (рис. 1, d) показывает, что две КТ с номерами (1.25 эВ). На рис. 3, c показано влияние электрическоN = 7 и 8 объединены в несимметричную ассоцииро- го поля на энергию активации EA соответствующего ванную КТ (АКТ/AQD). Размер последней КТ (N = 9) экситонного состояния. Эти значения были получены соответствует прежней монотонной зависимости для нами из анализа Аррениуса температурной зависимо1 N 6 (рис. 1, c). Поверхностная плотность КТ в сти интегральной интенсивности A-полосы. Видно, что СРКТ составляет по данным ПЭМ 4 · 1010 см-2. Ана- зависимость EA(U) имеет ярко выраженный пороговый лиз контраста ПЭМ-изображений показывает, что из-за характер. Значение EA в области обратных смещений сопроцессов диффузии содержание галлия в КТ может ставляет 90 мэВ, падает вблизи нулевого смещения и Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 206 В.Г. Талалаев, Б.В. Новиков, А.С. Соколов, И.В. Штром, J.W. Tomm, Н.Д. Захаров, P. Werner...

нентами, как показано на рис. 4, b, c. Первое (меньшее) время спада не зависело от приложенного поля и составляло T 100 пс. Второе (большее) время спада заметно зависело от внешнего поля (рис. 5, a, данные 2).

Оно увеличивалось от 100 пс при U = -3В, достигало максимума в 600 пс при смещении USS =+1В, после Рис. 3. Зависимость ФЛ АКТ (A-полоса) от приложенного смещения. a — энергия максимума (EM), полученная из Рис. 4. Временные профили A-полосы (a) и S-полосы (b, c) спектров на рис. 2, a. b — интегральная интенсивность (J) ФЛ при возбуждении фотонами с энергией 1.57 эВ и плотпри возбуждении фотонами с энергией 1.25 эВ и плотноностью в импульсе 6 · 1011 см-2. Температура измерений 10 K.

стью мощности 100 Вт/см2. c — энергия активации (EA), Сплошные линии показывают экспоненциальное поведение полученная из анализа Аррениуса температурной зависимости ФЛВР. Нулевое время соответствует максимуму импульса интегральной интенсивности (оригинальные данные (здесь не возбуждения.

показаны) получены в интервале температур 5-300 K при возбуждении фотонами с энергией 1.47 эВ и плотностью мощности 50 Вт/см2).

остается практически неизменным ( 40 мэВ) в области прямых (положительных) смещений.

Измерения ФЛВР были проведены при возбуждении с энергией 1.57 эВ, т. е. слегка выше барьера GaAs. Эти результаты представлены на рис. 4 и 5. Рис. 4 показывает экспериментальные временные профили интенсивности ФЛ для A- и S-полосы. Спад ФЛ в A-полосе описывается экспоненциальным законом, зависимость постоянной времени от внешнего смещения показана на рис. 5, a.

При изменении внешнего смещения от отрицательных значений (U = -3В) к положительным (U =+2.2В) время спада ФЛ в A-полосе растет монотонно от 1.4 нс и достигает значения насыщения 2 нс при нулевом смещении (UAS = 0), как показано на рис. 5, a (данные 1).

Время роста ФЛ в начале этого диапазона остается неизменным и равным 140 пс (рис. 5, b). Затем оно начинает периодически изменяться, достигая абсолютного минимума в 100 пс при нулевом смещении. Период осцилляций составил 0.7 В.

Рис. 5. Постоянные времени, полученные из ФЛВР при измеОбычно S-полоса имела более сложный временной нении внешнего смещения. a — время спада ФЛ в A-полосе (1) профиль спада ФЛ, который описывался двумя экспо- и в S-полосе (2). b — время нарастания ФЛ в A-полосе.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.