CC BY
158
УДК 621.315; 535.215
СВОЙСТВА ГЕТЕРОСТРУКТУР С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ Ge/Si ДЛЯ НАНОФОТОНИКИ
Александр Васильевич Войцеховский
Томский государственный университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 36, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой квантовой электроники и фотоники, тел. (3822)41-27-72, e-mail: vav43@mail.tsu.ru
Андрей Павлович Коханенко
Томский государственный университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 36, доктор физико-математических наук, профессор кафедры квантовой электроники и фотоники, тел. (3822)41-35-17, e-mail: kokh@mail.tsu.ru
Александр Иванович Никифоров
Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 13, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией молекулярно-лучевой эпитаксии элементарных полупроводников и соединений A3B5, тел. (383)333-35-02, e-mail: nikif@isp.nsc.ru
Кирилл Александрович Лозовой
Томский государственный университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 36, аспирант кафедры квантовой электроники и фотоники, тел. (3822)41-35-17, e-mail: lka@sibmail.tsu.ru
В работе показывается возможность изучения p-i-n-структур на основе кремния с квантовыми точками германия методами спектроскопии полной проводимости. В интервале температур от 10 до 300 К исследуются Ge/Si p-i-n-структуры с квантовыми точками Ge в i-области, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Рассчитываются энергии активации процессов эмиссии из локализованных состояний. Рассматриваются пути увеличения эффективности фотоприемников и солнечных элементов с квантовыми точками.
Ключевые слова: германий, кремний, гетероструктура, молекулярно-лучевая эпитак-сия, квантовая точка, фотодетектор, солнечный элемент, спектроскопия адмиттанса.
PROPERTIES OF HETEROSTRUCTURES WITH QUANTUM DOTS Ge/Si FOR NANOPHOTONICS
Alexander V. Voitsekhoskii
Tomsk State University, 634050, Russia, Tomsk, 36 Lenin av., Ph. D., professor, Head of Department of Quantum Electronics and Photonics, tel. (3822)41-27-72, e-mail: vav43@mail.tsu.ru
Andrey P. Kokhanenko
Tomsk State University, 634050, Russia, Tomsk, 36 Lenin av., Ph. D., professor of Department of Quantum Electronics and Photonics, tel. (3822)41-35-17, e-mail: kokh@mail.tsu.ru
Alexander I. Nikiforov
Institute of Semiconductor Physics of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 13 ac. Lavrentiev av., Ph. D., Head of Laboratory of molecular beam epitaxy of elementary semiconductors and A3B5 compounds, tel. (383)333-35-02, e-mail: nikif@isp.nsc.ru
Kirill A. Lozovoy
Tomsk State University, 634050, Russia, Tomsk, 36 Lenin av., post-graduate student of Department of Quantum Electronics and Photonics, tel. (3822)41-35-17, e-mail: lka@sibmail.tsu.ru
In this work possibility of investigation of ^-/'-и-structures based on silicon with quantum dots of germanium by the methods of admittance spectroscopy is shown. Ge/Si ^-/'-и-structures with Ge quantum dots in /'-region obtained by the method of molecular beam epitaxy are investigated in the temperature range 10-300 К. Activation energies of emission processes from localized states are calculated. Ways of increasing of efficiency of photodetectors and solar cells with quantum dots are considered.
Key words: germanium, silicon, heterostructure, molecular beam epitaxy, quantum dot, pho-todetector, solar cell, admittance spectroscopy.
В настоящее время оптоэлектроника переживает бурное развитие, а главными объектами исследований становятся гетероструктуры с наноразмерными включениями. Создание полупроводниковых структур с новыми физическими свойствами является основной задачей нанотехнологии, которая направлена на расширение пределов применимости полупроводниковых материалов. Упор делается на уменьшение получаемых структур до размеров, при которых эффекты пространственного квантования начинают значительно изменять их электронные свойства. Прорыв в этой области стал возможен благодаря развитию технологий производства наноструктур. Особое внимание уделяется структурам на основе кремния, который является элементной базой для большинства современных электронных устройств. Открытие новых физических свойств в этом случае обеспечивает создание новых устройств с использованием развитой технологии кремниевой микроэлектроники [1-4].
В последние годы значительно возрос интерес к фотоэлектрическим свойствам гетероструктур Ge/Si, особенно в спектральном диапазоне 1,3-1,55 мкм. Интенсивно разрабатываются новые типы фотодетекторов на внутриподзонных и межподзонных переходах в низкоразмерных гетероструктурах кремния и германия. Такие устройства могут применяться в волоконно-оптических линиях связи и системах наблюдения [5-9].
Помимо прочего, интерес к гетероструктурам Ge/Si проявляется из-за огромных перспектив их использования в солнечной энергетике. Материальная система Ge/Si с квантовыми точками Ge имеет большой потенциал для применения в солнечных элементах. Теоретические оценки предсказывают эффективность в 53 % для солнечных элементов с квантовыми точками Ge в Si. Повышение эффективности устройств на основе наногетероструктур Ge/Si становится возможным благодаря эффектам пространственного квантования [10-12].
Сегодня также идет активный поиск и усовершенствование существующих методик диагностики структур и устройств для наноэлектроники. Методы вольт-амперных характеристик, вольт-фарадных характеристик, спектроскопии полной проводимости, нестационарной емкостной спектроскопии глубоких уровней (DLTS) имеют значительный потенциал для исследования полупро-
водниковых структур с наноразмерными включениями [13-15]. Измерения полной проводимости могут осуществляться для полупроводниковых структур, имеющих область пространственного заряда (это может быть р-«-переход, МДП-структура или барьер Шоттки). В этом случае реактивная составляющая адмиттанса формируется за счет барьерной емкости в области пространственного заряда. Источником активной части комплексной проводимости могут быть как потери тока, возникающие из-за несовершенства гетероперехода, так и глубокие центры и ловушки в запрещенной зоне полупроводника в зависимости от условий эксперимента. Второй механизм проводимости очень важен для диагностики полупроводниковых материалов и структур и является предметом изучения динамических методов спектроскопии адмиттанса.
Существует большое количество работ, посвященных исследованию структур, содержащих барьеры Шоттки, с помощью методов спектроскопии комплексной проводимости. Однако, необходимо развить эти методы для применения к ^-/-«-структурам, так как именно они имеют непосредственное значение для таких приборных применений, как, например, солнечные элементы. В настоящей работе показывается возможность изучения ^-/-«-структур на основе кремния с квантовыми точками германия методами спектроскопии адмиттанса.
В настоящей работе в интервале температур от 10 до 300 К исследовались Ge/Si ^-/-«-структуры с квантовыми точками Ge в /-области, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Измерения проводились на автоматизированной установке для спектроскопии полной проводимости. В течение одного цикла температурного сканирования в интервале от 10 до 300 К измерялись частотные и температурные зависимости емкости и проводимости, а также проводились измерения вольт-амперных характеристик исследуемых структур.
Результаты измерений показывают, что в температурных спектрах проводимости исследуемых структур имеется два максимума. Первый пик наблюдается при низких температурах (~20 К) для всех напряжений смещения. Положение этого максимума на температурной зависимости проводимости и соответствующие энергии активации не зависят от приложенного напряжения смещения. При фиксированном напряжении смещения происходит перезарядка энергетического уровня. Скорость эмиссии носителей заряда с уровня уменьшается с температурой, поэтому с уменьшением частоты тестового сигнала максимум проводимости достигается при более низких температурах.
В работе [14] проводились исследования кремниевых структур с барьерами Шоттки и несколькими слоями квантовых точек германия методом спектроскопии полной проводимости при низких температурах. На температурных спектрах проводимости также наблюдалось два максимума. Положение первого максимума не зависело от приложенного напряжения, и он был связан с энергетическим уровнем примеси.
Может быть сделано предположение, что в нашем случае дискретный энергетический уровень с энергией активации ~30-50 мэВ, обнаруженный в исследуемых структурах и соответствующий первому пику на температурной за-
висимости проводимости, не связан с пространственный квантованием в наноо-стровках.
Второй пик на температурной зависимости проводимости был обнаружен при положительных напряжениях смещения. Этот пик является уширенным и вероятно соответствует не одному дискретному уровню, а системе близко расположенных уровней, появляющихся из-за неоднородности таких параметров квантовых точек, как их латеральный размер, высота, форма и плотность в массиве.
Появление и модификация пиков могут быть объяснены тем, что с изменением приложенного напряжения электрохимический потенциал периодически пересекает дискретные уровни энергии, вызывая колебания в распределении плотности заряда. Причина этого состоит в термоионной эмиссии носителей заряда с дискретных уровней. Дискретные уровни дают частичное увеличение плотности заряда. Это увеличение приводит к росту тока во внешней цепи, что и фиксируется как изменение проводимости образца.
Характеристики оптоэлектронных устройств на основе наногетерострук-тур с квантовыми точками (обнаружительная способность для фотоприемников и коэффициент полезного действия) напрямую зависят от параметров квантовых точек: поверхностной плотности, среднего размера в плоскости основания и разброса по размерам. Известно [12], например, что для применения в солнечных элементах необходимы массивы с как можно большей плотностью квантовых точек N (для увеличения коэффициента поглощения) и по возможности более широким распределением квантовых точек по размерам 5L, так как это обеспечит более полное использование солнечного спектра.
Для численного моделировании зависимостей распределения квантовых точек по размерам и их поверхностной плотности от условий роста использовалась разработанная в [16-18] кинетическая модель расчета параметров квантовых точек германия на кремнии, которая основана на обобщении классической теории зародышеобразования.
С использованием указанной выше модели можно сделать вывод о том, что для выращивания наногетероструктур с квантовыми точками германия в кремнии, ориентированных на создание солнечных элементов, подходят условия роста, характеризующиеся как можно более низкой температурой подложки. Так, например, для температуры T = 350 °C и скорости роста V = 0,1 МС/с,
теоретические оценки дают для параметров массива наноостровков следующие
11 2
значения: поверхностная плотность N~ 5-10 см- , средний размер Lav ~ 11 нм, относительный разброс по размерам 5L/Lav ~ 6,5 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кремний-германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образования и электрические свойства / Пчеляков О. П., Болховитянов Ю. Б., Двуреченский А. В., Соколов Л. В., Никифоров А. И., Якимов А. И., Фойхтлендер Б. // ФТП. - 2000. - Т. 34. - № 11. - С. 1281-1299.
2. Brunner K. Si/Ge nanostructures // Rep. Prog. Phys. - 2002. - V. 65. - № 27. - P. 27-72.
3. Шкляев А. А., Ичикава М. Предельно плотные массивы наноструктур германия и кремния // Успехи физических наук. - 2008. - Т. 178. - № 2. - С. 139-169.
4. Heterostructures with self-organized quantum dots of Ge on Si for optoelectronic devices / Lozovoy K. A., Voytsekhovskiy A. V., Kokhanenko A. P., Satdarov V. G., Pchelyakov O.P., Ni-kiforov A.I. // Opto-Electronics Review. - 2014 - V. 22. -№ 3. - P. 171-177.
5. Ge/Si self-assembled quantum dots and their optoelectronic device applications / Wang K. L., Cha D., Liu J., Chen C. // Proc. of the IEEE. - 2007- V. 95. - № 9. - P. 1866-1882.
6. Yakimov A.I. Ge/Si Heterostructures with Ge Quantum Dots for Mid-Infrared Photode-tectors // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 2013. - V. 49, № 5. - P. 467-475.
7. Phillips J. Evaluation of the fundamental properties of quantum dot infrared detectors // J. Appl. Phys., - 2002. - V. 91. - № 7. P. 4590-4594.
8. Наногетероструктуры Ge/Si с упорядоченными квантовыми точками Ge для применения в оптоэлектронике / Пчеляков О.П., Двуреченский А.В., Никифоров А.И., Войце-ховский А.В., Григорьев Д.В., Коханенко А.П. // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2010. - Т. 53. - № 9. - С. 59-64.
9. Фоточувствительные структуры на основе наногетероструктур Si/Ge для оптических систем передачи информации / Войцеховский А. В., Коханенко А. П., Лозовой К. А., Турапин А. М., Романов И. С. // Успехи прикладной физики. - 2013. - Т. 1. - № 3. - С. 338343.
10. Luque A., Marti A. Increasing the efficiency of ideal solar cells by photon induced transitions at intermediate levels // Phys. Rev. Lett. - 1997. - V. 78. - № 26. - P. 5014-5017.
11. Enhanced quantum efficiency of solar cells with self-assembled Ge dots stacked in multilayer structure / Alguno A., Usami N., Ujihara T., Fujiwara K., Sazaki G., Nakajima K., Shi-raki Y. // Appl. Phys. Lett. - 2003. - V. 83. - № 6. - P. 1258-1260.
12. Эффективность преобразования солнечной энергии солнечным элементом на основе Si с квантовыми точками Ge / Войцеховский А. В., Григорьев Д. В., Пчеляков О. П., Никифоров А. И. // Прикладная физика. - 2010. - Т. 6. - № 2. - С. 96-102.
13. Capacitance-voltage and admittance spectroscopy of self-assembled Ge islands in Si / Miesner C., Asperger T., Brunner K., Abstreiter G. // Appl. Phys. Lett. - 2000. - V. 77. - № 17. -P. 2704-2706.
14. Electronic states in Ge/Si quantum dots with type-II band alignment initiated by spacecharge spectroscopy / Yakimov A. I., Dvurechenskii A. V., Nikiforov A. I., Bloshkin A. A., Nena-shev A. V., Volodin V. A. // Physical Review B. - 2006. - V. 73. - P. 115333.
15. Admittance spectroscopy of GeSi-based quantum dot systems: Experiment and theory / Li X., Xu W., Cao S., Cai Q., Lu F. // Physical Review B. - 2007. - V. 76. - P. 245304.
16. Дубровский В. Г. Расчет функции распределения квантовых точек по размерам на кинетической стадии роста // ФТП. - 2006. - Т. 40. - № 10. - С. 1153-1160.
17. Лозовой К. А., Войцеховский А. В., Коханенко А. П. Кинетика формирования квантовых точек германия на кремнии различной формы с учетом диффузии, сегрегации и влияния напряженных подслоев // Изв. вузов. Физика. - 2013. - № 9/2. - С. 17-20.
18. Lozovoy K. A., Voitsekhovskiy A. V., Kokhanenko A. P., Satdarov V. G. Comparative analysis of pyramidal and wedge-like quantum dots formation kinetics in Ge/Si(001) system // Surface Science. - 2014. - V. 619. - P. 1-4. DOI: 10.1016/j.susc.2013.10.007.
© А. В. Войцеховский, А. П. Коханенко, А. И. Никифоров, К. А. Лозовой, 2015
