министерство образования и науки
российской федерации
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ГЕТЕРОНАНОСТРУКТУР
С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ InAs/GaAs
Практикум
Рекомендовано методической комиссией физического факультета для студентов ННГУ, обучающихся по направлению 210100.68 – «Электроника и наноэлектроника».
Нижний Новгород
2013
УДК 621.382
ББК 22.379
В-67
В-67 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ГЕТЕРОНАНОСТРУКТУР С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ InAs/GaAs: Составители: Волкова Н.С., Горшков А.П., Филатов Д.О. Практикум. – Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2013. – 17 с.
Рецензент: старший научный сотрудник НИФТИ ННГУ,
кандидат физ.-мат. наук Н.В. Байдусь
В работе описаны физические основы возникновения фоточувствительности в области межзонного оптического поглощения квантовых точек InAs/GaAs, методика измерений зависимости фоточувствительности от температуры и электрического поля и способ определения из этих зависимостей электронных параметров квантовых точек.
Практикум предназначен для студентов физического факультета ННГУ, обучающихся по направлению 210100.68 – «Электроника и наноэлектроника».
Описание подготовлено при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 − 2013 годы (соглашение с Министерством образования и науки № 14.B37.21.1945).
Ответственный за выпуск:
председатель методической комиссии
физического факультета ННГУ, к.ф.-м.н., доцент Сдобняков В.В.
УДК 621.382
ББК 22.379
Цель работы
Определение по температурным и полевым зависимостям фоточувствительности барьеров Шоттки к гетероструктуре с квантовыми точками InAs/GaAs(001) в области межзонного оптического поглощения квантовых точек высоты эмиссионного барьера для электронов, рекомбинационного времени жизни и сечения захвата электронов квантовыми точками, а также сравнительной эффективности различных механизмов эмиссии электронов с уровней размерного квантования в квантовых точках в матрицу полупроводника.
Аппаратура
Монохроматор с дифракционной решеткой, автоматизированная измерительная схема с селективным усилителем и синхронным детектором, управляющий компьютер.
Содержание работы
Измерение спектров фототока короткого замыкания барьера Шоттки к гетероструктуре с однослойным массивом квантовых точек InAs/GaAs(001) в диапазоне температур 77 – 300 K при нулевом напряжении смещения на барьере Шоттки. Измерение спектров фототока при 77 K при различных напряжениях смещения на барьере Шоттки. Обработка экспериментальных данных с целью определения электронных параметров квантовых точек.
Введение
Квантово-размерные структуры (КРС) с квантовыми точками (КТ) InAs/GaAs(001) занимают важное место в современной микро- и наноэлектронике. Применение таких структур в качестве активных областей электронных и оптоэлектронных устройств (светодиодов, лазеров, фотодетекторов, солнечных элементов, элементов памяти и др.) требует исследования не только энергетического спектра КРС, но и динамики носителей заряда в них. Наиболее часто для изучения динамики электронов и дырок в КРС используются измерения кинетики фотолюминесценции [1] и нестационарная спектроскопия глубоких уровней (НСГУ) [2]. Для этой цели также может быть применена фотоэлектрическая спектроскопия. Анализ температурных и полевых зависимостей фотоотклика позволяет получить информацию о механизмах эмиссии неравновесных носителей из квантово-размерных объектов и о соотношениях между временами жизни по отношению к процессам эмиссии, рекомбинации и межуровневой релаксации.
1. Исследуемые гетеронаноструктуры
В работе исследуются КРС с КТ InAs/GaAs(001), выращенные в НИФТИ ННГУ методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (ГФЭ МОС) при атмосферном давлении водорода – газа носителя паров МОС. Схематическое изображение КРС приведено на рис. 1. На поверхности (001) монокристаллической подложки n+-GaAs при температуре 650˚C выращивается легированный кремнием буферный слой n-GaAs толщиной ≈ 0,6 мкм с концентрацией донорной примеси Nd 1016 см–3, затем при температуре 520˚C выращивается слой КТ InAs номинальной толщины 1,5 нм ( 5 монослоев). Заключительная операция выращивания – нанесение покровного слоя GaAs толщиной dc 30 нм при 520˚C. Повышение однородности массива КТ по размеру и составу достигается либо путем легирования структуры висмутом, либо путем подбора оптимального времени прерывания подачи реагентов в процессе роста слоя КТ.
Для формирования барьера Шоттки на поверхность КРС методом термического испарения в вакууме при температуре 100˚C наносится полупрозрачный выпрямляющий золотой контакт толщиной ~ 20 нм и площадью ~ 1 мм2. Омический контакт к буферному слою и подложке создается электроискровым вжиганием оловянной фольги.
Рис. 1. Схематическое изображение квантово-размерной структуры с одиночным слоем КТ InAs в матрице GaAs
2. Фоточувствительность КРС и ее зависимость
от температуры и электрического поля
Если КРС, наряду с КТ, содержит потенциальный барьер (p–n переход, барьер Шоттки и т.п.), в условиях оптического возбуждения КРС в спектральной области межзонного оптического поглощения КТ могут возникать фототок и различные фотовольтаические эффекты [3]. Необходимым условием для возникновения фотоотклика является эмиссия фотовозбужденных электронов и дырок с уровней размерного квантования в КТ в матрицу полупроводника с последующим разделением в электрическом поле потенциального барьера. Эффективность эмиссии электронно-дырочных пар из КТ  зависит от соотношения времен жизни носителей по отношению к процессу эмиссии  и конкурирующему с ней процессу рекомбинации  :
 .
|
(1)
|
Эмиссия носителей может происходить по трем механизмам [4]: надбарьерному термическому, туннельному и термоактивированному туннельному через промежуточный уровень возбуждения (рис. 2).
Рис. 2. Возможные механизмы эмиссии электрона из КТ, находящейся в электрическом поле с напряжённостью F потенциального барьера. 1 – туннельная эмиссия с уровня основного состояния E0, 2 – термоактивированная туннельная эмиссия с первого уровня возбуждения E1, 3 – термическая эмиссия с основного состояния через барьер, 4 – конкурирующие с эмиссионными рекомбинационные переходы
В случае термической активации фотовозбужденные носители получают дополнительную энергию, необходимую для преодоления потенциального барьера в КТ, за счет тепловых колебаний кристаллической решетки полупроводника. Скорость термической эмиссии электронов из КТ, как показано в [4], описывается выражением
где n – постоянная, не зависящая от температуры; m – эффективная масса электронов в GaAs; MС – число минимумов зоны проводимости; g0(g1) – вырождение пустого (заполненного) энергетического уровня; T – температура; n – сечение захвата электронов КТ; – сечение захвата электронов КТ, экстраполированное к Т = ; Е – энергия активации сечения захвата; Еа – энергия активации, равная расстоянию от уровня размерного квантования до дна зоны проводимости (EC) матрицы; kB – постоянная Больцмана. Выражение (2) базируется на выражении для скорости термической эмиссии электронов с глубокого уровня ловушки в зону проводимости полупроводника [5]. Для КТ InAs/GaAs(001) температурной зависимостью n (4) можно пренебречь, поскольку E составляет всего несколько мэВ в широком диапазоне температур 70 – 350 К [4]. Величина , согласно данным НСГУ, составляет ~ 10–12 см2 [4] (в различных работах приводятся значения 310–12 см2 [6], 210–12 см2 [4], 10–11 – 10–12 см2 [7]).
Наиболее благоприятные условия для максимального выхода эмиссии пар и эффективности их разделения реализуются, когда квантово-размерный слой встроен непосредственно в область достаточно сильного электрического поля барьера. Во-первых, в этом случае уменьшается энергетический барьер выхода электронов и дырок из потенциальной ямы КРС в результате эффекта Пула-Френкеля: снижения высоты потенциального барьера в КТ в электрическом поле F на величину
 ,
|
(5)
|
где L – высота КТ (рис. 3). В случае квантовой точки высотой 5 нм в электрическом поле 50 кВ/см ∆E составляет 12 мэВ. Во-вторых, появляется возможность туннелирования носителей через этот сниженный в электрическом поле треугольный барьер (рис. 3). Скорость прямого туннелирования определяется выражением [4]
 ,
|
(6)
|
где m* – эффективная масса электронов в материале КТ InAs, m – эффективная масса электронов в материале барьера GaAs, Eb – высота туннельного потенциального барьера в КТ (рис. 3a). Экспонента в (6) представляет собой выражение для туннельной прозрачности треугольного барьера в квазиклассическом приближении.
(а)
|
(б)
|
Рис. 3. Возможные механизмы эмиссии электрона из КТ, находящейся в относительно сильном (а) и слабом (б) электрическом поле. а – туннельная эмиссия электрона с уровня основного состояния Е0 в матрицу, б – термоактивированная туннельная эмиссия через возбужденное состояние Е1
В электрическом поле также важную роль играет механизм термоактивированной туннельной эмиссии через промежуточный уровень [4]. Его можно рассматривать как комбинацию двух процессов: термического заброса носителя на промежуточное состояние и последующего туннелирования через оставшийся треугольный барьер (рис. 3б). В этом случае скорость эмиссии для электронов имеет вид:
 ,
|
(7)
|
где  – сечение захвата при T, F = ( 710–12 см2 для захвата электронов в основное состояние КТ [4]).
Результирующая скорость эмиссии  и эффективное время эмиссии определяется выражением
 .
|
(8)
| Роль каждого из механизмов эмиссии зависит от способа и условий выращивания КРС, температуры измерения и формы потенциального барьера в КТ, которую можно изменять приложением внешнего напряжения к структуре.
С процессами эмиссии неравновесных носителей конкурируют процессы излучательной (со временем жизни  ) и безызлучательной ( ) рекомбинации, характеризуемые эффективным рекомбинационным временем жизни 
 .
|
(9)
| По литературным данным [8 – 10], в КТ InAs/GaAs(001) относительно слабо зависит от температуры и электрического поля. В структурах с относительно низкой концентрацией дефектов при низких температурах определяется только излучательной рекомбинацией и составляет ~ 1 нс [8]. В более дефектных структурах появляется дополнительный канал безызлучательной рекомбинации, что уменьшает результирующее рекомбинационное время жизни и, следовательно, вероятность эмиссии электронно-дырочных пар из квантово-размерного слоя.
Для полного анализа динамики неравновесных носителей в КРС необходимо учитывать процессы внутризонной межуровневой релаксации в квантово-размерных слоях. В отличие от объемных полупроводников и квазидвумерных систем, где основным механизмом релаксации является испускание оптических фононов [11], в КТ внутризонная релаксация носителей заряда может осуществляться по разным механизмам: многофононный механизм с участием продольных оптических и акустических фононов, многофононный механизм с участием дефектов, оже-процесс и др. [11]. Те или иные механизмы релаксации в КТ могут иметь разную эффективность в зависимости от геометрии КТ, числа носителей заряда в КТ, дефектности структуры, температуры. Релаксационные процессы в КТ InAs/GaAs обычно осуществляются весьма быстро за время ~ 1 – 7 пс [12].
Поскольку рекомбинационное время жизни слабо зависит от электрического поля и температуры, а эмиссионное, как следует из формул (2, 6, 7), может меняться на порядки величины, именно оно в основном определяет характер температурных и полевых зависимостей фоточувствительности КРС.
В [13] проведены исследования влияния электрического поля и температуры на процесс эмиссии неравновесных носителей из КТ InAs/GaAs(001), выращенных методом ГФЭ МОС. Энергетический спектр КРС изучался методом спектроскопии фототока в барьере Шоттки (спектроскопия ФБШ). На рис. 4 приведены спектральные зависимости фоточувствительности  , где  – энергия кванта возбуждающего света, в области поглощения КТ при 77 K при различных значениях обратного смещения на барьере Шоттки Ub. При достаточно больших обратных смещениях наблюдаются хорошо выраженные пики от основного перехода в КТ (Е0) при 1,0 эВ и от первого возбужденного перехода (Е1) при 1,08 эВ. С ростом напряженности электрического поля в окрестности слоя КТ наблюдается красное смещение пиков фоточувствительности от КТ, обусловленное квантово-размерным эффектом Штарка.
Рис. 4. Влияние обратного смещения на барьере Шоттки на спектры фототока от КТ при 77 К. Ub, В: 1 – - 1,0; 2 – - 1,5; 3 – - 1,7; 4 – - 2,0; 5 – - 2,5; 6 – - 3.0.
Температурные зависимости фоточувствительности в области основного перехода в КТ при разных напряжениях на барьере Шоттки показаны на рис. 5. В отсутствие смещения на барьере Шоттки (кривая 1) при низких температурах (ниже 200 К) наблюдается сильное уменьшение эффективности эмиссии носителей из основного состояния КТ вплоть до полного ее исчезновения при температурах ниже 130 К, что свидетельствует о доминировании термоактивированного механизма эмиссии неравновесных носителей из КТ с энергией активации Ea 130 мэВ. Поскольку Ea примерно в 1,5 раза меньше высоты эмиссионного барьера для электронов в исследованных КТ, который по оценке составляет 200 мэВ, наиболее эффективно процесс эмиссии осуществляется путем термической активации электронов на промежуточное состояние с последующим туннелированием в матрицу.
При увеличении обратного смещения на барьере Шоттки происходит ослабление температурной зависимости фоточувствительности (кривые 2 – 6) в результате роста вклада в фоточувствительность механизма туннельной эмиссии, который при достаточно больших смещениях и низких температурах становится доминирующим, о чем свидетельствует появление участка, на котором фоточувствительность не зависит от температуры (кривые 4 – 6). При достаточно высоких температурах (выше 200 К), когда становится много меньше , на всех кривых достигается максимум фоточувствительности, при котором вероятность эмиссии пар из КТ приближается к единице ( 1). Качественно подобные зависимости эмиссии от напряженности поля и температуры наблюдались в p-i-n диодах на основе структур с КТ InAs/GaAs(001), выращенных молекулярно-пучковой эпитаксией [14, 15].
Рис. 5. Влияние электрического поля на температурную зависимость фоточувствительности в области основного перехода в КТ (h = 0.93 эВ при 300 К). Обратное смещение на барьере Шоттки Ub, В: 1 – 0, 2 – - 0.5, 3 – - 1, 4 – - 1.5, 5 – - 2, 6 – - 2.5. |
,
,
,
