CC BY
33
Физика твёрдого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2012, № 4 (1), с. 88-90
УДК 621.382
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭМИССИИ ФОТОВОЗБУЖДЕННЫХ НОСИТЕЛЕЙ ИЗ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК InAs/GaAs,
ВЫРАЩЕННЫХ ГАЗОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИЕЙ
© 2012 г. Н.С. Волкова, А.П. Горшков
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
уоШюуаш 88@таП. т
Поступила в редакцию 22.06.2011
Методом фотоэлектрической спектроскопии исследованы эмиссия носителей из квантовых точек InAs/GaAs, выращенных газофазной эпитаксией, и влияние на нее электрического поля, температуры и дефектообразования. Показано, что при относительно низкой напряженности электрического поля основным механизмом эмиссии носителей является термоактивированная эмиссия, а в сильных полях - туннельная эмиссия. Образование дефектов при облучении ионами гелия поверхности структур приводит к подавлению эмиссии носителей из квантовых точек вследствие появления эффективного канала рекомбинации.
Ключевые слова: фотоэлектрическая спектроскопия, квантово-размерные гетеронаноструктуры, квантовые точки, механизмы эмиссии, дефектообразование.
Эмиссия носителей заряда из квантовых точек (КТ) в полупроводниковую матрицу представляет значительный интерес в фундаментальном и прикладном отношении [1-3]. Фотоэлектрический сигнал в области межзонного оптического поглощения КТ возникает в результате эмиссии фотовозбужденных электронов и дырок с уровней размерного квантования в матрицу полупроводника. Она может происходить по трем механизмам [3]: надбарьерному термическому, туннельному и термоактивированному туннельному через промежуточный уровень возбуждения. Роль каждого из этих механизмов зависит от способа и условий выращивания структур с КТ, формы потенциального барьера в КТ, которую можно изменять приложением внешнего напряжения к структуре, температуры измерения. Поскольку с эмиссионными переходами конкурируют рекомбинационные переходы, на эффективность эмиссии может влиять также образование дефектов в структуре. При создании приборов на квантово-размерных гетеронаноструктурах (КРГ) проводятся различные технологические операции (анодное окисление, травление, нанесение металлов, ионная имплантация и др.), при которых возможно образование в структуре дефектов в результате химических реакций на поверхности и в объеме полупроводника. В предыдущих работах [1-3] исследовались механизмы эмиссии в КРГ, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии. В связи с этим в данной работе исследованы эмиссия носителей из КРГ, выращенных газофазной эпи-
таксией из металлоорганических соединений (ГФЭ МОС), и влияние на нее электрического поля, температуры и дефектообразования при облучении ионами гелия поверхности КРГ. Для изучения эмиссионных свойств КТ нами применена методика, основанная на исследовании температурной зависимости спектров фоточувствительности структур [4]. Ранее исследовалось влияние дефектообразования на процесс эмиссии носителей из КТ при анодном окислении поверхности КРГ [5].
Исследованные КРГ с КТ InAs/GaAs выращивались на поверхности (100) полуизолирую-щих подложек GaAs методом ГФЭ МОС при атмосферном давлении водорода - газа носителя паров МОС [6]. Буферный слой и-GaAs толщиной « 0.6 мкм с концентрацией электро-
1П16 -3
нов ~ 10 см выращивался при температуре 650 C. Затем при температуре 520 C выращивался слой КТ InAs номинальной толщины около 5 монослоев с лазерным легированием слоя примесью-сурфактантом висмутом [6], что позволяло получать более однородные КТ. Исследовались структуры со слоем КТ, покрытым покровным слоем GaAs толщиной 20 и 30 нм.
Имплантировались ионы He+ с энергией 10 кэВ и дозами до 1012 см-2 со стороны слоя КТ. Энергия ионов подбиралась такой, чтобы максимум теоретического профиля распределения дефектов приходился на область слоя КТ. Расчеты профиля распределения имплантированных ионов и образованных радиационных дефектов проводились с помощью программы TRIM.
/?у, эВ
Рис. 1. Влияние обратного смещения на барьере Шотт-ки на спектры фототока от КТ при 77 К. V, В: 1 - - 1, 2 - - 1.5, 3 - - 1.7, 4 - - 2, 5 - - 2.5, 6 - - 3
Энергетический спектр КРГ изучался методом спектроскопии фототока и фотоЭДС в барьере Шоттки (спектроскопия ФБШ). Для создания барьера Шоттки на поверхность исследованных структур методом термического испарения в вакууме при температуре 100°С наносился полупрозрачный выпрямляющий золотой контакт площадью ~1 мм2. Омические контакты к буферному слою и подложке создавались электроискровым вжиганием оловянной фольги. Гетеронаноструктура могла освещаться как через электрод, так и через подложку.
Спектры фоточувствительности Sph(hv) измерялись в малосигнальном режиме в диапазоне температур 77-350 К.
Рисунок 1 показывает влияние электрического поля на спектральную зависимость фоточувствительности в области поглощения КТ при 77 К. Спектры фоточувствительности снимались в режиме фототока при различных значениях обратного смещения на барьере Шоттки. При достаточно больших обратных смещениях наблюдаются хорошо выраженные пики от основного перехода в КТ при hv « 0.98 эВ и от первого возбужденного перехода при hv « 1.08 эВ. С ростом напряженности электрического поля в окрестности слоя КТ наблюдается красное смещение пиков фоточувствительности от КТ, обусловленное квантово-размерным эффектом Штарка [7, 8].
На рис. 2 показаны температурные зависимости величины фоточувствительности в области основного перехода в КТ при разных напряжениях на диодной структуре. В отсутствие смещения на барьере Шоттки (кривая 1) при низких температурах наблюдается сильное уменьшение эффективности эмиссии носителей из основного состояния КТ вплоть до полного ее исчезновения при температурах ниже 130 К, что свидетельствует о доминировании термоак-
-1.5 - ■
____I__I_____I____I___I____I____I__1_
4 5 6 7 8 9 10 11 12
103/ Т, К'1
Рис. 2. Влияние электрического поля на температурную зависимость фоточувствительности в области основного перехода в КТ (^ = 0.93 эВ при 300 К). Обратное смещение на барьере Шоттки V, В: 1 - 0,
2 - - 0.5, 3 - - 1, 4 - - 1.5, 5 - - 2, 6 - - 2.5
тивированного механизма эмиссии неравновесных носителей из КТ с энергией активации « 130 мэВ. Это значение примерно в 1.5 раза меньше высоты эмиссионного барьера в исследованных КТ, которое, по оценке [9], составляет « 200 мэВ. 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. Качественно подобные зависимости эмиссии от напряженности поля и температуры наблюдались в р-/-п-диодах на основе структур с КТ InAs/GaAs, выращенных молекулярно-пучковой эпитаксией [2, 10].
В работе [11] исследовано влияние имплантации ионов аргона на спектры фоточувствительности КРГ с квантовыми ямами InGaAs/ GaAs. Мы изучали влияние имплантации ионов гелия. При имплантации ионов инертных газов можно ожидать образования только собственных дефектов в GaAs и квантово-размерных слоях (вакансий в подрешетках Ga, As и 1п, междоузельных атомов и различных комплексов этих дефектов). Как и при анодном окислении [5], при ионной имплантации Не+ в структуры со слоем КТ наблюдается уменьшение фоточувствительности от КТ (рис. 3, кривая 2)
вплоть до полного ее исчезновения при дозах
112
облучения больше 10 см (кривые 3, 4). Полоса фоточувствительности от квантовой ямы (КЯ) смачивающего слоя с порогом около 1.3 эВ оказывается менее чувствительной к дефек-тообразованию, чем полоса от КТ. Это объясняется тем, что эмиссионное время жизни фото-возбужденных носителей в КЯ много меньше, чем в КТ.
/?у, эВ
Рис. 3. Влияние имплантации ионов гелия с энергией 10 кэВ на спектр фоточувствительности структуры с КТ при 300 К (толщина покровного слоя ваЛБ - 30 нм). Доза облучения, см-2: 1 - 0, 2 - 1010, 3 - 1011, 4 - 1012
3 4 5 6 7 8
103/Т, к'
Рис. 4. Влияние имплантации ионов гелия с энергией 10 кэВ и дозой 1010 см-2 на температурную зависимость фоточувствительности в области основного перехода в КТ при нулевом смещении на барьере: 1 -до имплантации, 2 - после имплантации
На рис. 4 приведены температурные зависимости фоточувствительности в области основного перехода в КТ до и после облучения ионами Не+ поверхности КРГ. Качественно они имеют одинаковый вид: при низких температурах фоточувствительность возрастает с ростом температуры и по достижении максимума уменьшается. Уменьшение фоточувствительности при температурах выше 220 К происходит, вероятно, в результате возникновения канала эффективной безызлучательной рекомбинации.
Дефектообразование приводит к сдвигу температурной зависимости фоточувствительности в область высоких температур, что объясняется уменьшением рекомбинационного времени жизни фотовозбужденных носителей в КТ облученной структуры.
В результате проведенных исследований установлены основные закономерности влияния электрического поля, температуры и дефекто-образования при облучении ионами Не+ поверхности КРГ с КТ на эффективность эмиссии носителей из КТ ТпЛБ/ваЛБ, выращенных ГФЭ МОС.
Авторы выражают благодарность Б.Н. Звонкову за выращивание структур для исследования и И.А. Карповичу за полезное обсуждение результатов.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ (проект РНП. 2.2.2.2/429 7).
Список литературы
1. Kapteyn C.M.A., Lion M., Heitz R. et al. // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 76. P. 1573-1575.
2. Fry P.W., Itskevich I.E., Parnell S.R. et al. // Phys. Rev. B. 2000. V. 62. P. 16784-16791.
3. Geller M. Ph.D. thesis. Technical University of Berlin, 2007. 140 p.
4. Гладышев Е.Е., Горшков А.П. // Научнотехнические ведомости СПбГПУ. Серия Физикоматематические науки. 2009. Т. 2. № 77. С. 11-14.
5. Волкова Н.С., Горшков А.П. // Научнотехнические ведомости СПбГПУ. Серия Физикоматематические науки. 2010. Т. 3. С. 63-65.
6. Звонков Б.Н., Карпович И.А., Байдусь Н.В. и др. // ФТП. 2001. Т. 35. № 9. С. 92-93.
7. Fry P.W., Itskevich I.E., Mowbray D.J. et al. // Phys. Rev. B. 2000. V. 84. P. 733-736.
8. Горшков А.П., Карпович И.А., Кудрин А.В. // Поверхность. 2006. №5. C. 25-29.
9. Истомин Л.А. Автореферат дис. ... к-та физ.-мат. наук. ННГУ, 2010. 17 с.
10. Шаталина Е.С., Блохин С.А., Надточий А.М. и др. // ФТП. 2010. Т. 44. № 10. С. 1348-1352.
11. Карпович И.А., Аншон А.В., Байдусь Н.В. и др. // ФТП. 1994. Т. 28. № 1. С. 104-112.
INVESTIGATION OF PHOTOEXCITED CARRIER EMISSION FROM InAs/GaAs QUANTUM DOTS GROWN BY VAPOR PHASE EPITAXY
N.S. Volkova, A.P. Gorshkov
Photoexcited carrier emission from InAs/GaAs quantum dots grown by vapor phase epitaxy and the influence on the emission process of electric field, temperature and defect formation has been studied by photoelectric spectroscopy. Main mechanisms of carrier emission have been shown to be thermally activated emission in low-intensity electric fields and tunnel emission in strong electric fields. Defect formation as a result of helium ion bombardment of the structure surface leads to the suppression of carrier emission from quantum dots due to the occurrence of the effective recombination channel.
Keywords: photoelectric spectroscopy, quantum-size heteronanostructures, quantum dots, emission mechanisms, defect formation.
