Комплексное исследование фотоэлектронных свойств гетеронаноструктур GaAs/InGaAs c дельта-слоем Mn Текст научной статьи по специальности «Физика»

Молекулярно-лучевая эпитаксия кремния Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 5 (2), с. 317-320

УДК 621.382

КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ СВОЙСТВ ГЕТЕРОНАНОСТРУКТУР ОаАзЛпОаАа С ДЕЛЬТА-СЛОЕМ Мп

© 2010 г. С.В. Тихое, В.Г. Тестов, И.А. Чугров

Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского йкЬоу@рЬу8 .unn.ru

Поступила в редакцию 25.05.2010

Предложена структура металл-диэлектрик-полупроводник для комплексного исследования фотоэлектронных свойств гетеронаноструктур ОаАзЛпОаАэ с дельта-слоем Мп. Установлен р-тип проводимости покровного и буферного слоев ОаАэ, окружающих дельта-слой Мп. Определены подвижности в эффекте поля, энергетическая диаграмма и некоторые другие электрофизические характеристики гетеронаноструктур с Мп.

Ключевые слова: гетеронаноструктуры, фотоЭДС, дельта-слой, подвижность, потенциальный барьер, эффект поля.

Введение

Гетеронаноструктуры (ГНС) на основе соединений А3В5 с дельта-слоями Мп на основе полуизолирующего ваА8 исследуются в связи с возможностью их применения в спинтронике

[1]. Недавно были обнаружены магнитные свойства в квантово-размерной ГНС на подложке ьваА8 с одним дельта-слоем Мп и квантовой ямой (КЯ) 1пваА8 [2]. Однако эта и подобные структуры имеют сложное строение и кроме дельта-слоя Мп содержат несколько различающихся по толщине и химическому составу слоев полупроводника, что часто затрудняет интерпретацию магнитных свойств ГНС с Мп.

Поэтому для лучшего понимания физических явлений в таких сложных структурах необходимы всесторонние исследования. В настоящей работе предлагается структура металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), позволяющая проводить на одном объекте измерения динамического эффекта поля (ДЭП) [3], спектральной зависимости фотоотклика, сильносигнальной фотоЭДС [4], вольт-амперных (ВАХ) и вольт-фарадных (ВФХ) характеристик. Измерения проведены в ГНС на основе слоев ОаА8/1пваА8 с одним дельта-слоем Мп.

Методика

Схематическое изображение конструкции образца с электродами в разрезе приведено на рис. 1. Фактически образец имел структуру, характерную для тестовой структуры полевого транзистора, с увеличенными латеральными размерами между токовыми электродами и ши-

риной (~ 5^10 мм) и для структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) с диэлектрической прослойкой из ьваА8. В качестве токовых электродов к пленке покровного слоя (ПС) вплавлением 1п изготавливались омические контакты 1 и 2. Со стороны ПС в системе разборного МДП-конденсатора с прижимным полевым электродом с диэлектриком из слюды 3 проводились измерения ДЭП. Между контактами 1 и 2 измерялась фотопроводимость. ДЭП со стороны подложки ьваА8 измерялся с помощью напыленного металлического электрода

Рис. 1. Схематическое изображение образца:

1, 2 - токовые контакты из 1п, 3 - прижимной полевой электрод, 4 - полевой электрод из Аи

4 из Аи. Роль диэлектрика при этом выполняла подложка ьваА8. Измерения динамического эффекта поля проводились на частоте 60 Гц. ВАХ, ВФХ, фотоЭДС и ее спектральные зависимости измерялись между электродами 1 (2) и

4. При измерениях спектральных зависимостей рассчитывалась фоточувствительность Б - фотосигнал, отнесенный к единице освещенности. Температурные измерения были проведены в диапазоне 77^450 К.

Исследовались структуры, в которых ПС ваЛ8 толщиной 50 нм и дельта-слой Мп толщиной в 0.15^0.3 монослоя (МС) были выращены методом лазерного осаждения при температуре 400°С и 450°С, а остальные слои - методом МОС-гидридной эпитаксии при температуре 650°С. Выращивание эпитаксиальных слоев проводилось на подложке полуизолирующего ь ваЛ8 толщиной 0.4 мм ориентации 2о (001). Толщина буферного слоя ваЛ8 была ~ 0.5 мкм. КЯ 1пхОа1-хЛ8 имела ширину 10 нм, а х ~ 0.25. В структурах с лазерным осаждением при 400°С толщина спейсерного слоя (СС) составила dc ~ 30 нм, при 450°С - ~ 3 нм. Слои, выращенные МОС-гидридным методом, в процессе изготовления специально не легировались.

Результаты и обсуждение

Установлено, что динамический эффект поля в исследуемых структурах с дельта-слоем Мп, как со стороны покровного слоя, так и со стороны ьваА8, соответствовал ^-типу проводимости слоев ваЛ8. Со стороны покровного слоя ваЛ8 измерялась подвижность в эффекте поля в покровном слое, прилегающем к дельта-слою Мп. Дырочная проводимость покровного слоя, вероятно, была обусловлена частичной сегрегацией атомов Мп в покровный слой в процессе его осаждения [5]. Проводимость ^-типа буферного слоя могла возникать либо в процессе роста, либо в результате диффузии свободных дырок из дельта-слоя Мп. Полная ширина профиля Мп при температуре осаждения 400°С, согласно [5], на полу-высоте составляла около 6 нм, то есть марганец практически не проникал в буферный слой. Значения ц^1 зависели от температуры лазерного осаждения: при 450°С они были близки (30-60 см2/Вс) с точностью до Холл-фактора к измеренной эффективной холлов-ской подвижности при комнатной температуре (соответствует отсутствию захвата), при 400°С - очень малы (~0.1 см2/Вс) и определялись дырочным захватом. При измерениях эффекта поля со стороны 1-ваЛ8 подвижность в эффекте поля определялась подвижностью в буферном слое ц^2 (200^300 см2/Вс) и была близка к значению дрейфовой подвижности дырок в монокристалле ^-ваЛ8. При расчете подвижности ц^2 в этом случае использовались изме-

Ню, еУ

Рис. 2. Зависимости Б от энергии квантов Ьу для ГНС с дельта-слоем Мп (0.3 МС) и с КЯ. dc ~ 30 нм, освещение со стороны Ли. 1 - фотоЭДС, 2, 3 - фотоотклик соответственно при V = -0.9 В и при V = = +0.5 В на Ли, 4 - фотопроводимость. Кривые 1-4 измерены при прерывистом освещении, 5 - фото-ЭДС при постоянном освещении

10 3П, К

Рис. 3. Температурные зависимости тока через структуру Ли/і-ваЛв/ваЛв/Іп с дельта-слоем Мп (0.3 МС). 4= 30 нм. У<0 на Ли, В: 1 - 10, 2 - 1; У>0 на Ли: 3 - 10, 4 - 1

ренные значения емкости между контактами 1

(2) и 4, которые не зависели от напряжения. В структурах с КЯ с dc = 30 нм вблизи слоя Мп величина цл сильно возрастала - более чем на порядок по сравнению с в аналогичных структурах с дельта-слоем без КЯ.

Измерения сильносигнальной фотоЭДС позволили определить знак фотоЭДС (плюс на Ли) и высоту барьера фі на границе Аи/і-ваАв (~ 0.1 эВ). Спектральные зависимости фото-ЭДС, измеренные при переменном и постоянном освещении со стороны Ли, обнаруживали изменение знака фотоЭДС (рис. 2, кривые 1, 5), соответствующее наличию трех потенциальных барьеров для разных структур с Мп: ф1 -на границе Ли/і-ваЛв (плюс на Ли), -ф2 -дельта-Мп/буферный слой и ф3 на границе

Рис. 4. Равновесная энергетическая диаграмма

структуры ЛиЛ-ваЛв/ ваЛв/1п с Мп и КЯ

ПС/дельта-Мп. Эти барьеры последовательно выявлялись по мере уменьшения энергии квантов Ьу и увеличения глубины проникновения света в полупроводник. Последние барьеры были образованы дельта-слоем Мп. ФотоЭДС от них были противоположны по знаку, но почти одинаковы по величине, так что величина суммарной сильносигнальной фотоЭДС между контактами 1 и 4 оказалась невелика ~ 0.1 В. Наличие отклика в результате разделения пар на барьере ф3 подтвердилось измерениями при освещении со стороны покровного слоя. Возникающая на контакте электролит / покровный слой фотоЭДС имела отрицательный знак относительно 1п. На спектрах фотопроводимости изменения знака в области отклика от КЯ не наблюдалось (кривая 4).

КЯ оказывалась на склоне барьера -ф2 и могла быть использована для диагностики величины и протяженности барьера, создаваемого дельта-слоем Мп. Электрическое поле барьера распространялось вглубь буферного слоя ваЛв не менее, чем на 30 нм, так как КЯ давала вклад в вентильную фотоЭДС (кривые 1, 5) при использованных толщинах спейсерного слоя. Амплитуда фотоотклика от КЯ зависела от напряжения между электродами 1 и 4 (кривые 2, 3) и уменьшалась по мере возрастания отрицательного напряжения на Ли. Для ГНС с dc = 30 нм при напряжениях V > |-0.9| В отклик от КЯ исчезал, так как барьер ф2 при этом практически спрямлялся и разделение электронно-дырочных пар на нем не происходило, следовательно, значение ф2 было близко к -0.9 эВ.

Измерения ВАХ в структурах с Мп выявили нелинейность в области малых напряжений (Р"<1^2 В), связанную с контактными барьерами к ьваЛв. По нелинейным участкам ВАХ

и по температурным зависимостям тока были определены значения барьеров для термоэлектронной эмиссии дырок [6], которые оказались близки для обоих металлических контактов ~ 0.6 эВ. Наблюдались весьма слабые зависимости высоты барьера от величины и полярности приложенного напряжения (рис. 3).

Упрощенная равновесная энергетическая диаграмма (с принятыми энергетическими обозначениями), построенная в результате анализа результатов измерений эффекта поля, фотоотклика и токов для КРС ваЛв/ 1пваЛв с дельтаслоем Мп, показана на рис. 4.

Заключение

Показано, что в КНС ваЛв/1пваЛв с дельтаслоем Мп слои ваЛв, окружающие дельта-слой Мп, имеют р-тип проводимости. В покровном слое ваЛв подвижность дырок в эффекте поля мала, определяется близостью дельта-слоя Мп и зависит от температуры осаждения покровного слоя. В буферном слое подвижность дырок в эффекте поля близка к величине дрейфовой подвижности в монокристалле ^-ваЛв. Найдено, что при использовании низкотемпературного осаждения покровного слоя и Мп (400°С) наличие КЯ в структуре приводит к повышению подвижности в эффекте поля. Установлен механизм протекания тока через структуру Ли/ь ваЛв/р-ваЛвЛп с дельта-Мп и КЯ и определена ее энергетическая диаграмма.

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов СЯОГ ВР4М01 и Минобразования РНП. 2.2.2.2. 4297.

Список литературы

1. Захарченя Б.П., Корнеев В.Л. // Успехи физических наук. 2005. Том 175. Вып. 6. С. 629-635.

2. Аронзон Б.А., Лагутин А.С., Рыльков В.В. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2008. Том 87. Вып. 3. С. 192-198.

3. Карпович И.А., Тихов С.В., Истомин Л.А. и др. // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2008. № 1. С. 25-29.

4. Тихов С.В. // ФТП. 1995. Т. 29. С. 742.

5. Вихрова О.В., Данилов Ю.А., Дроздов Ю.Н. и др. // Нанофотоника и наноэлектроника. XIII Международный симпозиум. 16-20 марта 2009. Т. 2. С. 484.

6. Айзенштат Г.И., Лаленков М.А. и др. // ФТП. 2007. Т. 41. В. 5. С. 631-634.

complex research of PHOTOELECTRONIC properties of GaAs/InGaAs heteronanostructures with a Mn delta layer

S. V. Tikhov, V. G. Testov, I.A. Chugrov

A metal-dielectric-semiconductor structure has been proposed for complex research of photoelectronic properties of GaAs/InGaAs heteronanostructures with a Mn delta layer. We have determined p-type conductivity of the capping and buffer GaAs layer surrounding the Mn delta layer. The field-effect mobility, the energy diagram and some other electrophysical characteristics of GaAs/InGaAs heteronanostructures with Mn delta layer have also been determined.

Keywords: heteronanostructures, photo-emf, delta layer, mobility, potential barrier, field effect.