
В последнее время привлекают к себе внимание от толщины слоя InAs и разработка методики определегетероструктуры GaAs/InAs с квантовыми точками ния из этих спектров некоторых параметров ансамбля (КТ) [1Ц4]. При своевременной остановке роста слоя КТ: энергетического спектра, коэффициента поглощеInAs в результате процессов самоорганизации по меха- ния, плотности состояний, поверхностной плотности КТ низму СтранскогоЦКрастанова [5] образуются отдельные и др.
нанокристаллы, в которых носители имеют дискретный энергетический спектр (квантовые точки).
Теория В опубликованных к настоящему времени работах в основном исследовались морфология поверхности гетеМеханизм явления КФЭ на поверхностном барьере в роструктур после остановки роста [6,7] и фотолюминесгетероструктурах с квантовыми ямами (КЯ) в спектральценция (ФЛ) структур с КТ. Так как плотность состояний ной области межзонных переходов между уровнями в КТ описывается -функцией Дирака [8], спектр ФЛ размерного квантования включает 3 основных этапа [11]:
отдельной КТ должен состоять из узкой линии, имеющей 1) генерацию электронно-дырочных пар в КЯ, 2) эмисестественную ширину, определяемую временем жизни сию неравновесных носителей из КЯ и 3) разделение пар возбужденного состояния в КТ согласно соотношению в поле поверхностного барьера. В малосигнальном режинеопределенности. При возбуждении небольшого числа ме измерения КФЭ фоточувствительность в этой области КТ удается наблюдать ряд узких линий люминесценции с поглощения SW (h) пропорциональна коэффициенту пошириной 0.1 мэВ, не зависящей от температуры [6,9].
глощения КЯ W (h) [12]. Поскольку перечисленные При возбуждении ФЛ на относительно большой площади явления для любого вида квантово-размерных объектов образца вследствие естественного разброса нанокристал(ямы, нити, точки) принципиально не отличаются, слелов по размерам спектр ФЛ имеет значительно более дует ожидать, что и для структур с КТ имеет место такой широкий максимум [9], ширина которого определяется же механзим.
энергетическим распределением комбинированной плотНайдем связь между коэффициентом поглощения, ности состояний в ансамбле КТ g(E).
комбинированной плотностью состояний и фоточувствиПлотность состояний может быть определена нескольтельностью для ансамбля КТ, имеющих некоторое раскими методами, одним из которых является измерение пределение по размерам.
спектральной зависимости коэффициента поглощения Поскольку в рассматриваемых структурах КТ распосвета [8]. В данной работе для этого применялись лагаются в одной плоскости, удобно вместо объемного методы спектроскопии конденсаторной фотоэдс (КФЭ) коэффициента поглощения использовать безразмерный и планарной фотопроводимости (ФП), которые ранее коэффициент поглощения использовались для диагностики гетероструктур с кванI товыми ямами [10Ц12].
D(h) =, (1) IЦель данной работы Ч выяснение особенностей спектров фотоэлектрической чувствительности гетерострук- где I = I0-I1, I0, I1 Ч интенсивности падающего и тур GaAs/InAs с квантовыми точками в зависимости в прошедшего через плоскость КТ излучения.
Фотоэлектрические свойства гетероструктур GaAs/InAs с квантовыми точками Согласно золотому правилу Ферми, GaAs и слабо зависит от состояния поверхности [12].
Таким образом, в соответствующем режиме измерений 2(eF)2h i i i SD(h) g(h), т. е. спектроскопия КФЭ является пряI = |Peh|2 Ee - Eh - h, (2) m2(h) мым методом определения комбинированной плотности i состояний ансамбля КТ.
где F Ч напряженность электрического поля в пдаюСогласно (5), (6), из измерений спектра фоточувствищей электромагнитной волне, m0 Ч масса свободного тельности SD(h) можно определить поверхностную конi i электрона, e Ч элементарный заряд, Ee и Eh Чэнергия центрацию КТ Ns. Если пик поглощения определяется уровней размерного квантования электронов и дырок, только одним переходом к КТ, i Peh Ч матричный элемент оператора импульса для пе 1 cmn рехода между этими уровнями в i-й КТ. Множитель Ns = g(h) d(h) = D(h) dh. (7) в числителе учитывает спиновое вырождение уровня, 2 2e2h|X|суммирование ведется по всему ансамблю КТ.
Интегрирование ведется в окрестности максимума, в Маричный элемент которой подынтегральная функция вносит существенный вклад в интеграл.
i i i |Peh|2 = |P|2 h (r) e(r) dr = |P|2 |Xi|2, (3) При аппроксимации пика поглощения функцией Гаусса выражение (7) можно записать в виде i i где h(r), e(r) Ч огибающие волновые функции дырок и электронов в i-й КТ, |Xi|2 Ч интеграл перекрытия m = D Ns, (8) огибающих волновых функций, P Ч матричный элемент оператора импульса, вычисленный на быстроосциллиру- где величина ющих частях блоховских функций. В модели Кейна 2 ln2 e2h QD = |X|2 (9) |P|2 Eg cmn (4) m2 2mn имеет смысл эффективного сечения захвата фотона кван[13], где mn Ч эффективная масса электрона, Eg Ч товой точкой, m = D(hm) Ч высота пика поглощения, ширина запрещенной зоны материала барьера (GaAs), Ч его ширина на полувысоте.
поскольку из-за малых размеров КТ ( 10 нм) уровни размерного квантования электронов и дырок лежат Методика эксперимента вблизи краев зон GaAs и огибающие волновые функции локализованы в основном в материале барьера.
Структуры GaAs/InAs выращивались на подложках Предполагая слабую зависимость интеграла перекры (001) GaAs методом газофазной эпитаксии из металлортия Xi от i и учитывая, что I0 = c F2/2, где ганических соединений при атмосферном давлении. Для Ч диэлектрическая проницаемость барьера, из (1)Ц(4) получения клиновидных структур рост осуществлялся получаем в ламинарном потоке без вращения подложки. Было e2h D(h) = |X|2g(h), (5) установлено, что при этом скорости роста InAs и GaAs cmn линейно убывали с увеличением расстояния от края где g(h) Ч комбинированная плотность состояний в подложки и были пропорциональны друг другу.
ансамбле КТ, |X|2 1.
Структура N1 выращена на n+-подложке при 650Cи Этапы эмиссии носителей из КТ и возникновения состояла из буферного слоя GaAs, слоя InAs с квантофотоэдс характеризуются квантовой эффективностью D, выми точками и покровного слоя GaAs. Определенная равной отношению числа разделенных полем барьера по скорости роста средняя толщина буферного слоя соэлектронно-дырочных пар к числу пар, возбужденных ставляла 0.34 мкм, покровного слоя Ч 0.24 мкм, средняя в КТ. Обозначим через 0 квантовую эффективность в номинальная толщина слоя InAs d = 1.6 монослоя области собственного поглощения GaAs и через SD Ч (ML). Структура легировалась Si. По данным измереотношение фоточувствительности в области поглощения ний зависимостей емкости от напряжения, концентрация КТ к фоточуствительности на краю собственного поэлектронов в GaAs n0 = (2-4) 1016 см-3. На этой глощения GaAs (нормированная фоточувствительность).
структуре исследовались спектры фотолюминесценции Тогда можно написать [12] (ФЛ) при 77 K, конденсаторной фотоэдс (КФЭ) при и 300 K, а также вольтемкостные (C-V ) характеристики D SD = D. (6) барьеров Шоттки (Al).
Для измерения спектров фотопроводимости на поВеличина D должна быть близка к единице при нахо- луизолирующей подложке при 550C была выращена ждении КТ в достаточно сильном поле поверхностного структура № 2 с параметрами, близкими к параметрам барьера, 0 = 0.5 + 0.25 для поверхностного барьера структуры № 1. Структура № 2 также имела форму Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1102 Б.Н. Звонков, И.Г. Малкина, Е.Р. Линькова, В.Я. Алешкин, И.А. Карпович, Д.О. Филатов Геометрические параметры структуры Nклина. Для измерения ФП из структуры выкалывались образцы 5 1 мм в отдельных точках вдоль клина.
№ x, мм Lbs, мкм d, ML D, нм ФЛ возбуждалась HeЦNe-лазером при интенсивности образца фотовозбуждения 1020 см-2 с-1. Методика измере1 0 0.15 1.1 ния КФЭ описана в [12].
2 5 0.18 1.3 3 8 0.19 1.4 4 14 0.21 1.6 Результаты и обсуждение 5 20 0.23 1.8 6 25 0.28 2.1 C-V -характеристики. На C-V-характеристиках структур наблюдалось характерное плато, связанное с прохождением границей области пространственного заряда (ОПЭ) квантово-размерного слоя, в котором Наиболее примечательной особенностью этих спекдвижение носителей ограничено вдоль направления тров, отличающей их от спектров гетероструктур с кванроста структуры [14]. Однако результаты измерений товыми ямами GaAs/InxGa1-xAs [10Ц12], является нане позволяли установить, имеет ли место квантовое личие хорошо выраженного пика фоточувствительности ограничение также и в плоскости структуры.
в области энергий, меньших ширины запрещенной зоВ таблице приведены значения толщины покровного ны GaAs. Естественно считать, что этот пик обусловлен слоя Lbs, определенные C-V-методом для 6 образцов, поглощением света в КТ InAs, и его форма отражает выколотых из структуры № 1 и расположенных на -образный характер функции плотности состояний в расстоянии x вдоль клина. По этим данным рассчиты- КТ. Закономерный непрерывный сдвиг положения маквалась локальная номинальная толщина InAs d с учетом симума hm в сторону меньших энергий с увеличением пропорциональности скоростей роста GaAs и InAs, что d объясняется увеличением размера КТ. При этом приводит к соотношению d(x) Lbs(x).
их поверхностная плотность и дисперсия по размерам По ширине плато на зависимости C(V) определена существенно не изменяются, так как высота пика и его поверхностная концентрация электронов в квантово- ширина остаются практически неизменными.
размерном слое ns =(1.1 0.2) 1011 см-2.
При 77 K (рис. 2) хорошо разрешается также стуКонденсаторная фотоэдс и фотолюминесценция.
пенчатая полоса с энергией края 1.47 эВ. ПодобНа рис. 1 и 2 приведены спектры фоточувствительности ную ступеньку с краем 1.38 эВ можно обнаружить КФЭ при 300 и 77 K соответственно, измеренные на и при 300 K (рис. 1), однако она менее выражена изобразцах с различными значениями d.
за температурного размытия края поглощения GaAs.
Рис. 1. Спектры КФЭ при разных значениях d (300 K). Рис. 2. То же, что на рис. 1, при 77 K. Покровный слой утонен Номера кривых соответствуют номерам образцов в таблице. для переноса квантово-размерного слоя в ОПЗ поверхностного Стрелка показывает теоретическое значение энергии основного барьера.
перехода в монослойной квантовой яме InAs.
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Фотоэлектрические свойства гетероструктур GaAs/InAs с квантовыми точками На правом плече пиков, связанных с основным переходом в КТ с участием тяжелых дырок e1-hh1, наблюдается выпуклость, которую можно связать с переходами с участием легких дырок e1-lh1. Форма пиков КФЭ хорошо аппроксимируется гауссовой функцией. Как показывает анализ, спектр КФЭ в области h < 1.4эВ раскладывается на 2 гауссовых пика от КТ с близкой шириной и полосу от квантовой ямы (рис. 3).
В спектрах ФЛпри 77 K(рис. 4) наблюдается только пик, связанный с переходом e1-hh1 в КТ. Форма пиков также близка к гауссовой, их энергетическое положение и ширина совпадают с параметрами соответствующих пиков КФЭ.
Зависимость КФЭ от температуры и положения КТ относительно поверхностного барьера. В исРис. 3. Аппроксимация спектра КФЭ квантовых точек гауссовыми кривыми для образца 4 (300 K). 1 Ч спектр КФЭ, ходной структуре КТ находились в квазинейтральном 2 Ч пик фоточувствительности для перехода e1-hh1, 3 Что объеме слоя GaAs. В этом случае КФЭ возникает в же для перехода e1-lh1, 4 Ч спектр КФЭ после вычитания из результате термической эмиссии дырок с уровня Ehh1 в него кривых 2 и 3.
валентную зону GaAs с последующей их диффузией к поверхностному барьеру. При этом зависимость SD от температуры, как и для КЯ, должна иметь активационный характер: SD exp(-Ea/kT ), где Ea =Ehh1-Ev [11].
Эта полоса присутствует на всех спектрах КФЭ, ее Такая температурная зависимость SD приводит к иснормированная высота и положение края не изменяечезновению фоточувствительности в области поглощеются при d > 1 ML. Появление этой полосы хорошо ния КТ при 77 K. Для измерения КФЭ при 77 K было объясняется образованием смачивающего слоя InAs толприменено послойное стравливание покровного слоя с щиной 1 ML. Наличие такого слоя отмечалось в ряде целью переноса КТ в область барьера. В достаточно работ (см., например, [1Ц4,6,9]). Оба значения энергии сильном поле 104 В/см КФЭ в области поглощения края согласуются с теоретическими, вычисленными для КТ определяется туннельной эмиссией электронов через прямоугольной квантовой ямы InAs толщиной 1 ML сниженный полем треугольный барьер, квантовая эффек(0.33 нм) по модели [15]: 1.464 и 1.374 эВ соответственно тивность D 1 и перестает зависеть от температуры.
(показаны стрелками на рис. 1 и 2).
Для появления фоточувствительности в области поЗаметим, что в КТ GaAs/InAs, исследованных в раглощения КТ при 77 K достаточно было утонить Lbs на ботах [1Ц4,6,7], пики ФЛ от КТ смещены значительно 0.07 мкм у образцов 1Ц4 и на 0.14 мкм у образцов 5 и 6.
дальше в низкоэнергетическую область (hm 1эВ Если КТ расположены в поверхностном барьере, то при 77 K), а в области h >1.4 эВ обычно наблюдается SD, как видно из рис. 2, не зависит в пределах ошибки пик ФЛ, приписываемый экситонам в смачивающем слое измерений от d, т. е. от размера КТ, а также от темпераInAs. Это расхождение в значениях hm от КТ, как будет туры. При 300 K она не зависит и от положения этого показано дальше, обусловлено различием в размерах и форме КТ, которое в свою очередь связано с различиями в технологии и условиях выращивания КТ.
Pages: | 1 | 2 |