WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 2 Замороженная инфракрасная фотопроводимость в структурах InAs/GaAs со слоями квантовых точек ¶ © В.А. Кульбачинский, В.А. Рогозин, В.Г. Кытин, Р.А. Лунин, Б.Н. Звонков, З.М. Дашевский, В.А. Касиян Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия Department of Materials Engineering, Ben-Gurion University of the Negev, P.O. Box 653, Beer-Sheva 84105, Israel (Получена 6 мая 2005 г. Принята к печати 20 мая 2005 г.) Исследована замороженная инфракрасная фотопроводимость в структурах p- и n-типа проводимости InAs/GaAs со слоями квантовых точек. Затухание фотопроводимости в начальном временном интервале после выключения подсветки происходит по логарифмическому закону. Характерное время релаксации зависит от температуры, уменьшаясь с ростом температуры. Предложена простая модель релаксации фотопроводимости, основанная на термической активации носителей заряда из слоя квантовых точек, согласующаяся с экспериментальными данными.

PACS: 73.63.Kv, 73.21.La 1. Введение Изменение проводимости при инфракрасном облучении и последующая ее релаксация имеет особое значеИсследования структур со слоями квантовых точек ние для легированных слоев квантовых точек. В этом представляют, с одной стороны, большой фундаменслучае очень важны механизмы релаксации фотопровотальный интерес, а с другой стороны, такие структуры димости при разных температурах. Главным образом эти потенциально очень перспективны в светоизлучающих процессы изучались в слоях квантовых точек с n-типом приборах [1–5]. Большое количество работ посвящено проводимости [8,11–17].

исследованию квантовых точек в структурах InAs/GaAs.

В настоящей работе изучалась проводимость вдоль Интересны структуры, в которых сами квантовые точки слоя квантовых точек структур InAs/GaAs с p- и n-типом при их высокой плотности формируют двумерный пропроводимости в интервале температур от комнатной до водящий слой из-за перекрытия состояний в соседних жидкого гелия, как в темноте, так и под действием квантовых точках [6–8]. Из-за сильной локализации инфракрасного излучения с различными длинами волн.

носителей тока при их небольшой концентрации в таких Предложена модель релаксации обнаруженной заморослоях наблюдается прыжковая проводимость при низких женной фотопроводимости, которая хорошо согласуется температурах [9,10].

с экспериментальными данными.

В настоящее время успешно используются детекторы инфракрасного излучения на основе квантовых ям. Од2. Методика измерений и образцы нако они имеют ряд ограничений — например, по углу падения и по узкому диапазону длин волн. Для квантоИсследование замороженной фотопроводимости провых точек направление падения света не имеет значения, водилось на структурах InAs/GaAs со слоями квантовых так как движение электрона ограничено по всем трем наточек с p- и n-типом проводимости. Образцы p-типа правлениям. Более того, самоорганизованные квантовые выращивались на вицинальной поверхности подложки точки на поверхности могут иметь целый набор уровней и к тому же имеют дисперсию по размерам, что приво- GaAs(Gr)(001), разориентированной на 3 вдоль надит к фоточувствительности в широком интервале длин правления [110], и состояли из буферного слоя i-GaAs волн [11–13]. Фотодекторы на основе квантовых точек толщиной 0.25 мкм, -слоя углерода C, 11 нм спейсера должны иметь очень низкие значения темновых токов. GaAs, слоя квантовых точек (QD) InAs, 11 нм спейПроцессы роста самоорганизованных квантовых точек сера GaAs, -слоя C и покровного слоя GaAs толщиInAs/GaAs хорошо излучены и позволяют получить ной 0.1 мкм. Образцы p-типа проводимости различались слои квантовых точек, в которых наблюдаются хорошо количеством углерода в -слоях. Легирующие -слои C различимые линии в спектрах фотолюминесценции [14].

необходимы для того, чтобы создать дырочную проводиЛатеральный фототок позволяет получить информацию мость в слоях квантовых точек.

о переходах между состояниями в квантовых точках Образец 704 с квантовыми точками n-типа проводимои зоне размерного квантования в смачивающем слое.

сти имел аналогичную структуру. Он состоял из слоя В этом случае фотовозбужденные электроны переносят i-GaAs толщиной 0.45 мкм, -слоя Si, 18 нм спейсера ток по зоне размерного квантования в смачивающем GaAs, слоя квантовых точек InAs, 18 нм спейсера GaAs, слое или при последующем термическом возбуждении -слоя Si и слоя GaAs толщиной 0.45 мкм. Схематипо объему GaAs [15,16].

ческое изображение структуры образцов с квантовыми ¶ E-mail: kulb@mig.phys.msu.ru точками приведено на рис. 1.

216 В.А. Кульбачинский, В.А. Рогозин, В.Г. Кытин, Р.А. Лунин, Б.Н. Звонков, З.М. Дашевский, В.А. Касиян Рис. 1. Схематическое изображение структур образцов с квантовыми точками n- и p-типа проводимости.

Сопротивление образцов измерялось в плоскости слоя Подсветка образца производилась белым светом ламквантовых точек четырехконтактным методом. Значения пы накаливания через кремниевый светофльтр, пропусхолловской концентрации pH и холловской подвиж- кающий излучение с длинами волн 1120 нм. Выности µ дырок в исследованных образцах приведены бор фильтра производился с таким расчетом, чтобы не допустить образования экситонов в GaAs. Засветка в таблице.

Для излучения морфологии поверхности образца ис- проводилась до насыщения сопротивления. Альтернативным источником света служил светодиод с длиной пользовались структуры, рост которых был остановлен волны излучения = 950 нм. Измерения сопротивлесразу после появления квантовых точек. Топография ния и эффекта Холла и их релаксации проводились поверхности образцов изучалась на атомно-силовом миавтоматической системой, построенной на вольтметрах кроскопе Accurex TMX-2100 в контактном режиме при Keithley.

атмосферном давлении. Плотность точек в образцах Для измерения релаксации сопротивления или эфp-типа составляла 2 · 1010 см-2 со средним размером в фекта Холла образец охлаждался в темноте до необосновании 50-60 нм.

ходимой температуры (T ), засвечивался до насыщения При измерениях релаксации проводимости была сопротивления, подсветка выключалась и записывалась использована криогенная система замкнутого цикла релаксация сигнала. Для исследования релаксации при RDK 101D производства Janic Research Co. INC. с криодругой температуре образец вначале нагревался до кулером модели SRDK-101D. Использовался оптический T = 300 K, а далее опять охлаждался в темноте до криостат SHI-4-1. Стабилизация температуры осущенужной температуры.

ствлялась системой CryCon, модель 32B, с точностью выше, чем 0.01 K. Для создания постоянного магнитного поля при измерениях эффекта Холла использовался 3. Результаты измерений постоянный CoSm-магнит с напряженностью магнитного поля B = 0.78 Тл, установленный внутри криоста- В образцах с высоким уровнем легирования при та с возможностью инверсии направления магнитного низких температурах наблюдался эффект Шубникова– поля. де-Гааза и квантовый эффект Холла от двумерных носителей тока, возникающих в слое квантовых точек в этих структурах при легировании. Во всех образцах обнаруТемновые значения сопротивления при 300 и 4.2 K, конценжена инфракрасная положительная фотопроводимость.

трации дырок или электронов (холловской pH, nH и полученПри температурах ниже 270 K наблюдалась замороженной из эффекта Шубникова–де-Гааза pSdH, nSdH) и холловской подвижности µ при 4.2 K ная фотопроводимость, причем через некоторое время, зависящее от мощности освещения, сопротивление на, кОм/ pH, nH, pSdH, nSdH, µ, Образец (тип сыщается. Типичные температурные зависимости сопротивления для образцов 31 и 32, p-типа проводимости, проводимости) 300 K 4.2 K 1011 см-2 1011 см-2 см2/В·с представлены на рис. 2. Вначале образцы охлаждались в 31 (p) 42.1 59.8 2.7 - темноте до температуры T = 4.2 K, после чего произво32 (p) 51.6 86.1 2.6 - дилась засветка образцов до насыщения сопротивления, 867 (p) 2.993 2.04 54.4 44.0 а далее осуществлялся нагрев со скоростью 5 K/с. Как 865 (p) 21.21 3.90 7.3 6.1 видно из рис. 2, наблюдается положительная фотопрово704 (n) 6.28 4.9 2.7 2.6 димость.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Замороженная инфракрасная фотопроводимость в структурах InAs/GaAs со слоями квантовых точек Относительное изменение сопротивления при освещении зависит от температуры, уменьшаясь с уменьшением температуры. В качестве примера на рис. 3 показано относительное изменение сопротивления образца p-типа 865 при освещении с длиной волны = 950 нм при различных температурах.

После выключения засветки, характерное время ( ) релаксации сопротивления к его начальному, темновому, значению при фиксированной температуре составляет от нескольких секунд при T 270 K до сотен часов при T = 4.2 K. Релаксация сопротивления при различных температурах после выключения облучения с длиной волны = 950 нм представлены на рис. 4, a для образца 865 p-типа проводимости и рис. 4, b для образца 704 n-типа проводимости.

Рис. 4. Релаксация сопротивления R/R =[R(t) - R(0)]/R образца p-типа 865 (a) и образца n-типа 704 (b) после Рис. 2. Температурные зависимости сопротивления на квадрат освещения светом с длиной волны = 950 нм. R(0) — сообразцов 32 и 31, полученные при охлаждении в темноте противление непосредственно после выключения засветки в (сплошные линии) и при отогреве после освещения с длиной момент времени t = 0. На вставке — релаксация холловской волны >1200 нм при T = 4.2K (штриховая и штрихпункконцентрации электронов nH(t) в образце 704 после освещения тирная).

при различных температурах.

Возникновение положительной фотопроводимости под действием освещения связано с увеличением двумерной концентрации носителей тока в слое квантовых точек. Релаксация проводимости связана с уменьшением концентрации фотовозбужденных дырок (в структурах с p-типом проводимости) или электронов (в структурах с n-типом проводимости). В качестве примера на вставке к рис. 4, b приведены зависимости холловской концентрации электронов от времени nH(t) после выключения освещения. Нетрудно заметить, что зависимости линейны в полулогарифмическом масштабе.

4. Обсуждение результатов Рис. 3. Относительное изменение сопротивления R/R = Для наблюдения фотопроводимости в слоях кванто=[R(t) - R]/R образца p-типа 865 при засветке светодиодом с вых точек структуры облучались светом с энергией длиной волны = 950 нм при разных температурах. R —темфотонов h, не превышающей ширину запрещенной новое сопротивление, засветка включается в момент времени зоны GaAs, чтобы не допустить образования экситонов t = 0.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 218 В.А. Кульбачинский, В.А. Рогозин, В.Г. Кытин, Р.А. Лунин, Б.Н. Звонков, З.М. Дашевский, В.А. Касиян в GaAs-матрице. При таких энергиях фотонов воз- Процесс, приводящий к возрастанию дырочной плотникновение свободных носителей заряда возможно за ности в слое квантовых точек InAs под действием счет ионизации поверхностных состояний и уровней облучения, показан на рис. 5, a сплошными стрелками.

хрома в подложке. Одновременно с этим под действием В результате такого перемещения дырок в области излучения в структуре могут происходить оптические слоя квантовых точек аккумулируется дополнительный переходы между зонами внутри слоя квантовых точек положительный заряд, в то время как положительный и смачивающего слоя. Однако в этом случае возбу- заряд в области подложки и поверхности образца стажденные носители не могут обусловливать появление новится меньше своего значения в темноте до начала наблюдаемой задержанной фотопроводимости, так как засветки. В дальнейшем дырки, попавшие в область времена рекомбинации таких носителей составляют квантовых точек, могут принимать участие в двумерной обычно 1нс [18] и не могут быть зарегистрированы проводимости в слое квантовых точек, что и приводит на используемом в эксперименте оборудовании. к повышению проводимости структур под действием Для определенности рассмотрим процессы, происхо- облучения. В итоге перераспределения электрического заряда между слоями структуры происходит понижедящие под действием освщения в структурах с p-типом ние напряженности электрического поля в структуре.

проводимости. Процессы, происходящие в структурах с Такой процесс может продолжаться до тех пор, пока n-типом проводимости, будут им полностью аналогичны, новое распределение заряда не приведет к занулению с той лишь разницей, что при этом вместо дырок напряженности электрического поля и „распрямлению“ будут рассматриваться электроны, вместо валентной зонной диаграммы (рис. 5, b). При этом концентразона (VB) — зона проводимости (CB) и так далее.

Дырки, возбужденные при облучении структур с уров- ция носителей в квантовых точках достигнет насыщения.

ней хрома в подложке и с поверхностных состояний, двигаются в направлении слоя квантовых точек под дей- После выключения освещения в образцах наблюствием электрического поля, присутствующего в струк- дается релаксация фотопроводимости, которая может происходить за счет следующих процессов.

туре за счет выравнивания химического потенциала в термодинамическом равновесии. Схема зонной диа- 1) Захват избыточных дырок атомами хрома в подложке (рис. 5, b, процесс 1b) или поверхностными граммы структуры p-типа проводимости в этот момент состояниями (процесс 1s) после их термического возпоказана на рис. 5, a.

буждения из квантовых точек и смачивающегося слоя в валентную зону (процесс 1). Поскольку длина свободного пробега носителей заряда сравнима с расстоянием до подложки LB и до поверхности LS, время, затрачиваемое на захват термически активированных дырок уровнями хрома и поверхностными состояниями, оказывается значительно меньше времени термической активации. Таким образом, общая вероятность этого типа релаксации определяется временем термической активации дырок:

W = 0 exp -. (1) kT Энергия активации W есть разность энергий дырок в слое квантовых точек (смачивающем слое) и в валентной зоне в подложке или вблизи поверхности;

T — температура, k — постоянная Больцмана; предэкспоненциальный множитель 0 определяется электронфононным взаимодействием в слое квантовых точек и смачивающем слое.

2) Рекомбинация избыточных дырок с термически возбужденными электронами. Вероятность этого процесса значительно меньше, чем вероятность процесса 1, так как энергия возбуждения для электронов в матрице GaAs больше, чем энергия возбуждения носителей заряда из квантовых точек (смачивающего слоя). Таким образом, при рассмотрении релаксации замороженной Рис. 5. Энергетическая диаграмма структуры p-типа проводифотопроводимости этим процессом можно пренебречь.

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.