Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 | Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 9 Квантовые точки 2 типа в системе Ge/Si й А.В. Двуреченский, А.И. Якимов Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 14 февраля 2001 г. Принята к печати 15 февраля 2001 г.) Приводятся результаты по электронной структуре непрямого в пространстве экситона, многочастичных экситонных комплексов, отрицательной фотопроводимости в структурах Ge/Si с квантовыми точками.

Проводится сравнение с данными для гетеросистем 2 типа с квантовыми точками на основе соединений AIIIBV и AIIBVI. Фундаментальные физические явления в изучаемых структурах заключаются в увеличении энергии связи экситона по сравнению с энергией связи свободных экситонов в объемных однородных полупроводниках; в коротковолновом сдвиге энергии экситонного перехода при образовании многочастичных комплексов (типа заряженный экситон, биэкситон); захвате равновесных носителей на локализованные состояния, формируемые электрическим полем заряженных квантовых точек.

1. Введение однородных полупроводниках. В то же время энергетический уровень в КТ может быть глубоким и в этом заклюПри образовании гетеросистемы относительное распочается еще одна особенность КТ, как примесных центров ложение энергетических зон по обе стороны от гетерос глубокими уровнями. В силу отмеченных особенностей границы определяется структурой и составом входящих исследование гетероструктур с КТ составляет отдельное в структуру полупроводниковых материалов [1]. Если направление в физике конденсированного состояния.

зонная диаграмма обеспечивает низшее состояние по Локализация заряда в КТ приводит к изменению хода энергии как для электронов, так и для дырок в одпотенциала в окружающей среде. Следствием такого ном из двух входящих в систему полупроводниковых изменения является возможность образования потенциматериалов, то гетероструктура относится к 1 типу.

альной ямы вокруг КТ для носителей противоположного Если низшее энергетическое состояние для электронов знака и формирование связанных состояний в такой яме.

находится в одном материале, а для дырок Ч в другом, В гетероструктурах 2 типа локализованные состояния то такая система относится ко 2 типу. Следовательно, для электронов и дырок формируются по разные стороны в гетероструктурах 2 типа с двумя гетеропереходами от гетерограницы в самосогласованных потенциальных образование потенциальной ямы возможно лишь для ямах. Находящиеся в этих состояниях электроны и дыродного типа носителей Ч электронов или дырок. Для ки пространственно разделены и переход между этими другого типа носителей будет существовать барьер. Зонсостояниями является непрямым в пространстве.

ную диаграмму таких гетероструктур в литературе часто Определение параметров энергетического спектра, киназывают ступенчатой, подразумевая одинаковый тип нетики переходов между электронными состояниями, ступеней при разрыве зоны проводимости и валентной взаимодействия элементарных возбуждений, а также зоны: восходящие или нисходящие по энергии ступени выявление корреляционных эффектов составляют оснона гетерогранице для каждой зоны.

ву проводимых в настоящее время фундаментальных В кластерах одного материала в объеме другого веисследований в области квантовых точек. Наибольшее щества ограничение движения носителей заряда осущевнимание привлекали системы InxGa1-xAs/AlyGa1-yAs ствляется во всех трех направлениях. Если размер клав связи с открывающимися перспективами применения стера сопоставим с дебройлевской длиной волны элекв области полупроводниковых лазеров (см., например, трона и дырки или с боровским радиусом экситона, то обзоры [1,3] и литературу в них). Менее исследотакие включения называют квантовыми точками (КТ) [2], ванными оказались КТ 2 типа, которые формируются а полупроводниковые структуры с такими кластерами Ч в гетероструктурах (In, Ga, Al)Sb/GaAs, (Al, In, As)/InP, гетероструктуры с квантовыми точками [1]. В отличие (Ga, In, As, Sb)/GaSb, Ge/Si, ZnTe/ZnSe [4Ц11]. С пракот гетероструктур с квантовыми ямами и квантовыми тической точки зрения гетероструктуры с КТ на основе проволоками (двумерные и одномерные системы) свойполупроводниковых соединений представляют большой ства электронов и дырок в гетероструктурах с КТ нельзя интерес для оптоэлектроники. Что касается гетеросиописать на основе представления о газе квазичастиц.

стем Ge/Si с КТ, то на их основе получены результаты, Плодотворным является применение представлений о открывающие новые возможности для микро- и нанолокализованных состояниях. Радиус локализации элекэлектроники [12Ц15].

тронов или дырок в нанокластере сравним с его размеЭлектронные процессы в системах с КТ изучались ром, и часто превышает боровский радиус одиночных главным образом оптическими методами [1,3,5,6]. Наши примесных атомов с мелкими уровнями в объемных работы были первыми в использовании электрических методов для выявления дискретного энергетического E-mail: dvurech@isp.nsc.ru Fax: (3832)332771 спектра в ансамбле самоорганизующихся КТ, эффектов 1144 А.В. Двуреченский, А.И. Якимов кулоновского взаимодействия при переносе заряда, опре- локализуются в нанокластерах Ge. Неоднородные деделения сечений захвата носителей на локализованные формации в структуре (вследствие 4-процентного рассосостояния [4,13,15,16]. Существование достаточно боль- гласования параметров решетки Ge и Si) и создаваемый шого объема данных о поверхности и границах раздела дырками в Ge положительный заряд способны приводить фаз для Ge и Si [17], а также возможность примене- к потенциальной яме для электронов в зоне проводимония развиваемых методов в существующей кремниевой сти кремния вблизи гетероперехода.

технологии изготовления дискретных приборов и схем ставят изучение системы Ge/Si в одно из приоритетных 3. Пространственное распределение направлений исследований. В данной работе приводятся упругих деформаций данные, полученные на основе сочетания оптических и электрических методов исследования электронных проНеоднородные упругие деформации в гетероструктуцессов преимущественно в структурах Ge/Si. Результаты рах способны вызывать заметные изменения электричесравниваются с данными на других системах с КТ.

ских и оптических свойств вследствие изменения энергетического спектра на величину порядка 0.1 эВ [19,20].

2. Объекты и методы исследования Кроме того, неоднородные деформации способствуют процессу упорядочения пространственного расположеВ настощее время наиболее перспективный метод ния нанокластеров при формировании многослойных формирования массива квантовых точек основан на эф- структур [21]. Поэтому нахождение полей упругих дефектах самоорганизации полупроводниковых нанострук- формаций является необходимым этапом как для расчета тур в гетероэпитаксиальных системах [1,5,14]. Упругие электронной структуры в самоформирующихся КТ, так деформации в эпитаксиальной пленке и островках на ее и моделирования процесса эпитаксии на напряженных поверхности являются ключевым фактором как в морфо- подложках. Расчет полей упругой деформации в нанологическом переходе от плоской пленки к островковой кластерах Ge и в их окружении выполнялся с помощью (механизм СтранскогоЦКрастанова), так и в последу- разработанного оригинального метода, основанного на ющих изменениях размеров, формы и пространствен- использовании тензора Грина упругой задачи [22]. Разного распределения островков. В последовательности меры исследуемых квантовых точек настолько малы, что происходящих кинетических переходов важной является приближение сплошной среды неприменимо к описанию стадия формирования однородных по размеру, когерент- упругих свойств системы. В расчетах деформации исных (не содержащих дефектов) трехмерных островков. пользован потенциал Китинга [23], учитывающий атомПри этом удается получить островки нанометровых ную структуру вещества. Для уменьшения погрешности размеров, в которых энергия размерного квантования вычислений, связанной с конечным объемом кристалла, составляет около 100 мэВ [13,15]. Эта величина заметно поле деформации ищется в виде свертки некоторой превышает тепловую энергию частиц при комнатной вспомогательной функции с функцией Грина (тензором температуре (26 мэВ), поэтому тепловым перераспреде- Грина) упругой атомистической задачи. Метод позволяет лением носителей заряда по локализованным состояни- получить распределение деформации на атомном уровне ям в энергетическом окне порядка k0T (k0 Ч постоянная в системе, содержащей включение одного вещества в Больцмана, T Ч температура) можно пренебречь. Такие матрице другого вещества. Учитываются анизотропия системы обеспечивают возможность функционирования кристалла, различие упругих свойств среды с включеприборов на структурах с КТ при комнатной темпера- ниями другой фазы.

туре, а также реализации приборных характеристик, не- Задача решалась для используемых в экспериментах чувствительных к изменению температуры в достаточно объектов: КТ Ge имели в соответствии с экспериментом широкой области [18]. форму четырехгранной пирамиды с наклоном боковых Нами были найдены условия проведения гетероэпитак- граней 11, размером основания (в плоскости роста) сии Ge на Si (100), при которых слоевая концентрация 15 нм и высотой 1.5 нм. Слой КТ располагался поверх кластеров Ge составляла 31011 см-2 [14]. Методом ска- смачивающего слоя Ge толщиной 0.7 нм и являлся встронирующей туннельной микроскопии проведены иссле- енным в объем кристаллического кремния. Решение дования распределения островков германия по размеру. получено для одиночной КТ, что означает пренебрежеСредний размер островков составлял 15 нм (основание ние эффектом наложения полей упругих напряжений от пирамиды). Высота пирамиды Ч 1.5 нм, при разбросе окружающего массива КТ.

размеров не более 17%. Типичные условия формиро- Установлено, что внутри нанокластера Ge деформавания структур Ge/Si включали процессы гомоэпитак- ция имеет характер растяжения в направлении роста сии на Si (100) при 800C со скоростью 1-2 моно- структуры (направление z) и сжатия в перпендикулярном слоя (ML) в секунду; гетероэпитаксии Ge при 300C, направлении (плоскость xy) (см. рис. 1). Наиболее 0.2 ML/с; эпитаксии Si поверх островков Ge при 500C. напряженный участок расположен по контуру основания Эффективная толщина слоя Ge варьировалась в пределах пирамиды в плоскости роста, а наиболее релаксированdeff = 0-20 ML. В гетероструктурах Ge/Si с КТ дырки ной является область вблизи вершины. В кремниевом Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Квантовые точки 2 типа в системе Ge/Si Рис. 1. Распределение упругой энергии в квантовой точке и в ее окрестности в плоскости (100), проходящей через ось пирамиды.

Цифрами указаны значения энергии в единицах 10-4 эВ, приходящейся на один атом. Стрелки Ч направление возрастания энергии [22].

окружении КТ наиболее напряженный участок находится оказываются по разные стороны от гетерограницы, навблизи вершины пирамиды. Из расчетов следует, что в зывают пространственно непрямыми экситонами.

центральной области пирамиды величина деформации Для получения спектра поглощения нанокластера, практически не зависит от размера нанокластера Ge содержащего N электронно-дырочных пар, необходимо в диапазоне изменения основания пирамиды 6-15 нм. решить уравнение Шредингера с гамильтонианом, вклюВблизи ребра основания пирамиды величина деформа- чающим кинетическую и потенциальную энергию невзации возрастает логарифмически с ростом размера осно- имодействующих электрона и дырки, а также энергию их взаимодействия [26].

вания пирамиды.

Численное моделирование волновых функций и энерНедавно выполнено сопоставление результатов расгетического спектра электронов и дырок в составе чета напряжений в системе Ge/Si с КТ при испольпространственно непрямых экситонов проводилось для зовании двух эмпирических потенциалов: Киттинга и пирамиды Ge в Si с размерами, указанными разд. 3. На ШтилинжераЦВебера (StillingerЦWeber) [24]. Для комоснове полученного для данной системы пространственпонентов тензора в плоскости xy оба метода дали близного распределения упругих деформаций внутри и вне кие результаты. Количественное расхождение двух метопирамидальной КТ и известных деформационных потендов обнаружено для нормального компонента тензора.

циалов в Si и Ge [27] рассчитывались величины разрыва В результате авторы [24] рекомендуют использовать зон на гетерогранице Ge/Si. Упругие деформации в Si потенциал ШтилинжераЦВебера для нанокластеров Ge обеспечивают снятие 6-кратного вырождения -долин с размером основания пирамиды меньше 10 нм.

с формированием 4- и 2-кратно вырожденных долин.

2-кратно вырожденные долины ориентированы вдоль на правлений [001] и [001] и расположены ниже по энергии, 4. Электронная структура непрямого чем состояния в зоне проводимости Ge (минимум зоны в пространстве экситона проводимости). Максимум валентной зоны формируется тяжелыми дырками в нанокластерах Ge.

В объемных однородных полупроводниках непрямыми Описание состояний пространственно непрямых эксиэкситонами называют возбужденное электронное состотонов и экситонных комплексов основано на методе яние, образующееся при непрямых оптических перехоэффективной массы. Решалась система трехмерных уравдах [25]. В Кт 2 типа существуют оптические переходы, нений Шредингера: 2 уравнения в случае одиночного являющиеся непрямыми в реальном пространстве. При экситона, 3 уравнения для комплекса экситонЦдырка и этом они могут быть непрямыми в k-пространстве, где 4 уравнения для двух экситонов в квантовой точке.

k Ч проекции волнового вектора (например, системы Взаимодействие между заряженными частицами модеGe/Si и GaAs/AlAs; последняя система относится ко 2 тилировалось статическим экранированным кулоновским пу при размере КТ меньше 56 и к 1 типу для размеров потенциалом. Разрыв зон проводимости между соответКТ, больших 56 [8]), а также прямыми в k-пространстве ствующими -минимумами ненапряженного Ge и Si (например, система InAs/GaSb с КТ InAs, относящаяся составлял 340 мэВ, разрыв валентной зоны Ч 610 мэВ.

ко 2 типу при размере точек меньше 87 [8], а также Эффективные массы электронов в зоне проводимости GaSb/GaAs [6]). Возбужденные состояния в результате Si составляли mxy = 0.19m0 в плоскости роста КТ оптических переходов, при которых электрон и дырка и mz = 0.92m0; массы дырок в валентной зоне Ч Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1146 А.В. Двуреченский, А.И. Якимов Рис. 2. Расчетный профиль потенциала (a), в котором движутся электроны и дырки в составе экситонного комплекса, вдоль оси z, проходящей через вершину пирамиды Ge. Двумерное изображение (b) модуля волновых функций электронов |e| и дырок |h| в поперечном сечении квантовой точки и ее окружения. Степенью насыщенности черного цвета отмечены области, на границе которых волновые функции спадают до уровня 75, 35 и 10% от максимального значения ||max [26,28].

Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 |    Книги по разным темам