WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 2 Фотоэлектрическая память в многослойных структурах с квантовыми ямами на основе GaAs / AlGaAs © В.Н. Овсюк, М.А. Демьяненко, В.В. Шашкин, А.И. Торопов Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 1 апреля 1997 г. Принята к печати 13 мая 1997 г.) Обнаружено возрастание темнового тока на 23 порядка в многослойных структурах с квантовыми ямами GaAs/AlxGa1-xAs при x 0.4 после освещения структур оптическим излучением ( < 1.3 мкм), сохраняющееся в течение длительного времени (свыше 103 c) при пониженных температурах и уменьшающееся вплоть до исходного значения после нагревания образца. Предложена модель барьера с локальным провисанием зоны проводимости, облегчающим туннелирование электронов. Величина провисания и ток возрастают при ионизации присутствующих в барьере локальных скоплений неконтролируемых глубоких уровней и уменьшаются в процессе захвата на них электронов зоны проводимости при нагреве образца.

Введение 1. Эксперимент Многослойные структуры с квантовыми ямами Исследовали образцы МСКЯ GaAs/AlxGa1-xAs с со(МСКЯ) на основе GaAs/AlGaAs относятся к активно держанием Al x от 0.26 до 0.43, выращенные меисследуемым в настоящее время объектам, в первую тодом молекулярно-лучевой эпитаксии на установках очередь в связи с их перспективностью для создания ”Катунь-С” и ”RIBER 32 P”. Рост МСКЯ GaAs/AlGaAs многоэлементных фотоприемников инфракрасного проводился при температуре подложки Ts = 580600C, диапазона. Как правило, для таких структур скорости роста 1 мкм/ч и при отношении потоков, отмечают хорошее соответствие экспериментальных и обеспечивающих существование поверхностных структеоретических значений темнового тока и фототока, тур на GaAs —(24)As и на AlGaAs — (32). Кродостигаемое в рамках предположения прямоугольности ме того, использовалось прерывание роста на стадии потенциальных барьеров AlGaAs [1–3]. В то же время завершения выращивания ямы GaAs для сглаживания в ряде работ отмечается асимметрия темнового тока и поверхности. Ширина ямы Lw изменялась от 43 до 48, фототока в зависимости от полярности прикладываемого толщина барьера Lb — от 300 до 500. Количество к МСКЯ напряжения смещения [1,4–6], а также периодов N составляло 25 или 50. Использовалось как избыточный туннельный ток [7], что указывает на однородное, так и -легирование по центру квантовых отклонения от идеального прямоугольного барьера. ям кремнием со слоевой концентрацией Si 1012 см-2.

Причиной этого может являться известное различие двух Верхним и нижним контактными слоями к МСКЯ слуграниц между ямой и барьерами [8], несимметричное жил n+-GaAs толщиной 0.5 мкм, легированный кремраспределение примеси в ямах [9], а также наличие нием с концентрацией 2 · 1018 см-3. Меза-структуры дефектов в барьерах [7]. квадратной формы со стороной 300 мкм изготавливались травлением МСКЯ до нижнего n+-слоя. Омические В настоящей работе обнаружено возрастание контакты к n+-слоям получали вжиганием напыленных темнового тока на 2 3 порядка в выращенных слоев Ni–Au–Ge. Состав, т. е. x, и толщины слоев методом молекулярно-лучевой эпитаксии МСКЯ Lw и Lb определяли методом рентгеновской дифракции GaAs/AlxGa1-xAs с x 0.4 после освещения структур и in situ по осцилляциям интенсивности зеркального в диапазоне длин волн < 1.3 мкм, сохраняющееся рефлекса дифракции быстрых электронов. Холловская в течение длительного времени при пониженных подвижность электронов в плоскости квантовых ям, температурах и уменьшающееся вплоть до исходного измеренная на выращенных без контактных n+-слоев значения после нагревания образца. Обнаруженный МСКЯ, составляла 2000 см2/В · с при 77 K.

эффект объясняется в рамках предложенной модели барьера с локальным провисанием зоны проводимости, Измерения температурных зависимостей темнового облегчающим туннелирование электронов. Величина тока проводили при напряжении смещения Vb = 0.2 В провисания и ток возрастают при ионизации в диапазоне температур T = 77300 K. Скорость нагреизлучением присутствующих в барьере локальных вания или охлаждения составляла 0.5 град/с с возможскоплений неконтролируемых глубоких уровней (ГУ) ностью остановки изменения температуры при наперед и уменьшаются в процессе захвата на них электронов заданном значении. Освещение образцов осуществляли зоны проводимости при нагреве образца. GaAs-светодиодом (максимум излучения при длине вол6 210 В.Н. Овсюк, М.А. Демьяненко, В.В. Шашкин, А.И. Торопов примерно на 10% за 1000 с. Соответствующая зависимость 1 на рис. 1 получена при измерении тока сразу после выключения оптического излучения при каждой данной температуре. Практически эта же зависимость получается при нагревании образца в темноте после его освещения при 77 K. Энергия активации темнового тока, соответствующая зависимости 1 на рис. 1, составляет 0.024 эВ вблизи 77 K, что примерно в 3 раза меньше, чем для исходной кривой 4, и возрастает при повышении температуры. При нагревании образца выше 170 K ток соответствует исходной зависимости 4. Последующее охлаждение в темноте вновь дает исходную зависимость 4.

Если после освещения при 77 K образец нагреть до некоторой промежуточной температуры T0 < 170 K (например, до 110 или 130 K) и затем, охладив до Рис. 1. Экспериментальные (точки) и теоретические (сплош77 K, измерить температурную зависимость тока при ные линии) температурные зависимости темнового тока в нагревании образца (со скоростью 0.5 град/с), то МСКЯ GaAs/AlxGa1-xAs с x = 0.385: 1 — после освещения;

получим зависимости, лежащие между зависимостями 2, 3, 4 — после отогрева до 110, 130 и более 170 K сооти 4 (соответственно кривые 2, 3 на рис. 1). При этом ветственно. Теоретические зависимости 5 и 6 соответствуют для температур T < T0 зависимости J(T ) остаются компонентам тока в областях без провисания и с провисанием зоны проводимости. На вставке — температурная зависимость практически неизменными в течение нескольких минут и темнового тока в МСКЯ GaAs/AlxGa1-xAs с x = 0.29. Для не зависящими от направления изменения температуры всех кривых Vb = 0.2 В.

образца.

Измерения тока в образцах квадратной формы со стороной квадрата от 75 до 1200 мкм показали, что при некотором разбросе средняя плотность тока не зависит ны 1 мкм) со стороны подложки с интенсивностью от площади образца. Это позволяет утверждать, что 1017 фотон/см2· с в течение 1020 с. Измерение отмеченные особенности присущи объему образца, а не спектральной зависимости показало, что обсуждаемый в его поверхности по периметру меза-структуры.

работе эффект фотоэлектрической памяти наблюдается Чтобы получить дополнительную информацию о влипри <1.3 мкм.

янии освещения на МСКЯ, измеряли вольт-фарадные Для образцов с x < 0.3 темновой ток J отвечает характеристики (ВФХ) барьеров Шоттки на этих образмодели прямоугольного барьера [1]: его температурная цах. Для этого на части исходной выращенной пластины зависимость соответствует энергии активации, равной высоте барьера, отсчитанной от уровня Ферми, а изменение темнового тока после освещения образца в указанном режиме отсутствует. В качестве примера на вставке к рис. 1 приведена температурная зависимость для одного из наших образцов МСКЯ с x = 0.29, Lw = 43, Lb = 500, Si = 8.6 · 1011 см-2, N = 50.

При увеличении x выше 0.3 температурная зависимость темнового тока и его реакция на освещение радикально изменяются. На рис. 1 приведены экспериментальные данные, полученные для МСКЯ с x = 0.385, Lw = 43, Lb = 400, Si = 1012 см-2 (-легирование по центру ямы), N = 25. Зависимость 4 является исходной и соответствует образцу, охлажденному в темноте от комнатной температуры. В отличие от образца с x = 0.29 энергия активации темнового тока не является постоянной, а уменьшается примерно от 0.2 эВ при T > 170 K до 0.08 эВ при T < 100 K.

Рис. 2. Вольт-фарадные характеристики барьера Шоттки на При освещении образца, имеющего температуру ниже МСКЯ GaAs/AlxGa1-xAs с x = 0.385, измеренные на частоте 170 K, ток через образец возрастает и остается практиче3 кГц при T = 77 K, последовательно: 1 — до освещения;

ски неизменным после выключения освещения. Так, при 2 — после освещения; 3 — после нагрева предварительно 80 K ток возрастает почти на 3 порядка при освещении освещенного образца до 170 K при Vb = -1.5 В; 4 (совпадает образца и релаксирует после выключения освещения с 1) — после нагрева до 170 K при Vb = 0.35 В.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Фотоэлектрическая память в многослойных структурах с квантовыми ямами на основе GaAs / AlGaAs после стравливания верхнего n+-слоя GaAs напылялись барьеры Шоттки Au/Ti круглой формы с площадью 1.26 · 10-3 см2 без вытравливания меза-структур. Омический контакт ко всем квантовым ямам и нижнему n+-слою изготавливался вплавлением In по периметру вырезанного из пластины образца размером 55 мм2.

На рис. 2 приведены типичные ВФХ для МСКЯ с x = 0.385, измеренные в темноте до освещения (образец охлаждался от комнатной температуры в темноте при напряжении на барьере Шоттки Vb = 0.35 В) и после (кривые 1 и 2), а также после нагревания образца до Рис. 3. Энергетическая диаграмма одного периода МСКЯ при 170 K при двух значениях напряжения смещения (криналичии положительно заряженных центров в барьерном слое.

вые 3 и 4). В процессе записи ВФХ релаксации емкости E1 — первый квантовый уровень, EF — уровень Ферми левой не обнаружено. Участки с пологим наклоном (плато), квантовой ямы. Точки — глубокие уровни, мелкие доноры не возникающие на ВФХ по мере увеличения напряжения Vb показаны. Остальные пояснения — в тексте.

на барьере Шоттки, соответствуют процессу обеднения очередной квантовой ямы. Порядковые номера квантовых ям, отсчитанные от поверхности образца, указаны рах. При последующем нагревании образца до некоторой цифрами со стрелками возле соответствующего плато температуры T0 электроны, преодолевая энергетический кривой 1 на рис. 2. Участки ВФХ с более крутыми наклонами соответствуют переходам от полностью обед- барьер, переходят обратно на ГУ и нейтрализуют их положительный заряд. Провисание зоны проводимости ненной квантовой ямы к следующей [10,11].

уменьшается, и зависимость J(T ) стремится к исходной.

Обсудим подробнее сделанные предположения о ло2. Модель фотоэлектрической памяти кальности областей, содержащих неконтролируемые ГУ, и о механизме нейтрализации ионизированных ГУ путем Наблюдаемый эффект (рис. 1) напоминает хорозахвата свободных электронов из зоны проводимости.

шо известное явление замороженной фотопроводимости (persistent photoconductivity) в легированном AlxGa1-xAs при x > 0.22 [12], которое связывают с существованием 2.1. Локальность областей провисания зоны DX-центров в этом материале, возникающих при его проводимости легировании как кремнием, так и некоторыми другими примесями.

Как будет видно из расчета, приведенного в п. 3 данной Предположим в связи с этим, что в исследованных настатьи, требуемое изменение концентрации положительми МСКЯ имеются локальные области, пронизывающие ных зарядов N+ в барьерном слое МСКЯ после освенасквозь всю структуру, в пределах которых барьерные щения должно составлять величину 1.2 · 1017 см-3 при слои содержат неконтролируемые донорные уровни, в их равномерном распределении по толщине барьерного общем случае как мелкие с концентрацией Nd, так слоя. Тогда, как следует из условия нейтральности образи глубокие с концентрацией Nt. Кроме того, пусть ца, равновесная концентрация свободных электронов в последние, подобно DX-центрам, характеризуются отноквантовых ямах n при однородном распределении ГУ сительно высоким энергетическим барьером для захвата в барьерах по площади МСКЯ должна увеличиться на свободных электронов из -долины зоны проводимости.

величину N+Lb = 4.8 · 1011 см-2, что составляет В равновесных условиях (до освещения) ионизиропримерно половину исходной концентрации легирования ваны по крайней мере мелкие уровни, что приводит квантовых ям Si 1012 см-2. Следовательно, освещек возникновению внутреннего электрического поля и ние образца должно приводить к увеличению на 50 % ”провисанию” зоны проводимости (рис. 3). В результате протяженности плато на ВФХ, показанной на рис. 2.

термически облегченное туннелирование электронов из Однако этого не происходит. Действительное увеличение квантовых ям в зону проводимости барьерных слоев равновесной концентрации электронов в квантовой яме через относительно узкие потенциальные барьеры приn при освещении не превышало 1011 см-2 (т. е. 10%), ведет к увеличению темнового тока и понижению его что определялось путем интегрирования ВФХ между эффективной энергии активации (см. зависимость 4 на точками перегиба соседних переходных участков. Этот рис. 1). Ионизация ГУ при освещении образца увелифакт позволяет утверждать, что ГУ, обеспечивающие чивает провисание зоны проводимости, что приводит к дальнейшему увеличению темнового тока. Наличие до- указанное изменение положительного заряда N+ в статочно высокого энергетического барьера для захвата барьерных слоях при освещении, сосредоточены в лоэлектронов на ГУ обеспечит запоминание нового состоя- кальных областях, занимающих малую долю (не более ния после выключения освещения при низких температу- 20%) от всей площади структуры.

6 Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 212 В.Н. Овсюк, М.А. Демьяненко, В.В. Шашкин, А.И. Торопов 2.2. Взаимодействие глубоких уровней двумерная плотность состояний, m — эффективная масw с разрешенными зонами са электрона в квантовой яме, — постоянная Планка, Lp —период МСКЯ, Ea0 = Ebw - E1 - EF —энергия Переходной участок ВФХ между j-м и ( j + 1)-м плато активации тока, Ebw — разрыв зоны проводимости месоответствует экспоненциальному хвосту емкости обеджду GaAs и AlGaAs, E1 — энергия первого уровня в нившейся j-й квантовой ямы [10,11]. Его протяженность квантовой яме, EF — энергия Ферми, отсчитанная от E1.

для идеальной МСКЯ может быть оценена величиной Теоретическая зависимость J(T ) для образца с x = 0.Vj, j+1 4 (kT /q)Cp/Cj+1, где k — постоянная Больц(см. вставку на рис. 1) рассчитана по соотношению (1) мана, q — абсолютное значение заряда электрона, Cp — при Ea = 0.14 эВ и µn = 500 см2/В · с.

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.