CC BY
45
Фотоэлектрическая спектроскопия полупроводников Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 5 (2), с. 243-246
УДК 621.328
ВЛИЯНИЕ ВСТРАИВАНИЯ ДЕЛЬТА-СЛОЯ ]М\ НА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ ГЕТЕРОНАНОСТРУКТУР С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ И ТОЧКАМИ 1п(Оа)Аз/ОаАа
© 2010 г. А.П. Горшков, Л.А. Истомин, О.Е. Хапугин
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского gorshkovap@phys .unn.ru
Поступила в редакцию 20.05.2010
Исследовано влияние дельта-легирования Мп гетеронаностуктур с квантовыми ямами и точками 1п(Оа)Аз/ОаАз на спектры фотопроводимости и фотовольтаических эффектов. Показано, что встраивание дельта-слоя Мп приводит к подавлению фоточувствительности от квантово-размерных слоев, которое зависит от типа этих слоев и толщины спейсерного слоя, отделяющего их от дельта-слоя Мп. Подавление фоточувствительности в основном связано с образованием дефектов - центров рекомбинации, уменьшающих квантовую эффективность эмиссии неравновесных носителей из квантоворазмерных слоев. Из фотомагнитного эффекта и фотопроводимости при высоком уровне фотовозбуждения определены рекомбинационные параметры ряда модельных структур.
Ключевые слова: фотоэлектрическая спектроскопия, квантовая яма, квантовые точки, газофазная эпитаксия, энергетический спектр, дельта-слой Мп, дефекты.
Введение
Квантово-размерные полупроводниковые гетеронаноструктуры (КРС) с ферромагнитнами слоями - спиновыми поляризаторами привлекают внимание исследователей в связи с возможностью реализации на их основе приборов спиновой электроники. Одним из способов получения ферромагнитыных слоев с высокой температурой Кюри является легирование их дельта-слоем магнитной примеси, в частности, Мп [1]. Однако встраивание в КРС таких спиновых поляризаторов может приводить к возникновению высокой плотности дефектов в некоторой окрестности дельта-слоя, вызванных химическим взаимодействием Мп с ваА8 и возникновением упругих напряжений. Дефектообразование может существенно влиять на спин-зависимые оптоэлектронные свойства приборов на основе таких КРС. В связи с этим представляет фундаментальный и практический интерес изучение влияния встраивания дельта-легированных слоев в КРС на процессы захвата и рекомбинации неравновесных носителей в этих структурах. В данной работе методами фотоэлектрической спектроскопии исследовано влияние встраивания дельта-слоя Мп на эти процессы в КРС с квантовой ямой (КЯ) и квановыми точками (КТ) 1п(Оа)А8/ваА8.
Методика
Исследованные структуры выращены на поверхности (100) полуизолирующего (8-) или про-
водящего п -ваА8 комбинированным методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (ГФЭ МОС) и импульсного лазерного осаждения [2]. Сначала при относительно высокой температуре 600оС ГФЭ МОС выращивался буферный слой п- или р-ваА8 толщиной 0.40.6 мкм, слой квантовой ямы (КЯ) 1пхОа1_хА8 (х = 0.25-0.3) шириной 10-15 нм или при 520оС-слой квантовых точек (КТ), спейсерный слой ваА8 толщиной 1-6 нм в КРС с КЯ и 10-30 нм в КРС с КТ. Затем при пониженной температуре (3804500С) методом лазерного осаждения выращивались дельта-слой Мп толщиной 0.1-0.4 монослоя (МС) и покровный слой ваА8 толщиной 30-50 нм. Снижение температуры осаждения производилось для уменьшения диффузионного размытия дельта-слоя Мп. Для сравнения выращивались однородные и дельта-легированные слои пи р-ваА8 без КЯ и КТ.
Измерялись спектры планарной фотопроводимости (спектроскопия ФП), фотомагнитного эффекта (спектроскопия ФМЭ), фотоэдс (фототока) на барьерах полупроводник (КРС)/металл - барьер Шоттки (спектроскопия ФБШ) и полупроводник/электролит (спектроскопия ФПЭ). Барьер Шоттки создавался нанесением на КРС методом термического испарения в вакууме полупрозрачного золотого электрода толщиной 20 нм. В качестве электролита использовался химически нейтральный к ваА8 1 М раствор КС1 в смеси с глицерином в соотношении 1:1. ФМЭ измерялся в магнитном поле с индукцией до 1.6 Тл.
Экспериментальные результаты и обсуждение
'/Гб Г20 1^25 1Д) 7/35
/? V, эВ
Рис. 1. Спектры ФБШ ГНС с КЯ: 1, 3 - без дельтаслоя Мп; 2, 4 - с дельта-слоем Мп при толщине спейсера 3 нм. Температура измерения, К: 1, 2 - 300;
3, 4 - 77
На рис. 1 приведены спектры ФБШ структур с дельта-слоем и без дельта-слоя Мп при 300 К и 77 К в области поглощения КЯ. В КРС без дельта-слоя Мп при комнатной и низкой температуре наблюдаются ярко выраженный экси-тонный пик на краю полосы фоточувствительности от КЯ (кривые 1, 3). Интересно, что при несколько большей энергии фотона наблюдаются более слабые пики, вероятно, связанные с зоммерфельдовской добавкой к коэффициенту поглощения КЯ, обусловленной перекрытием волновых функций свободных электронов и дырок [3]. Разность между этими пиками « 25 мэВ хорошо согласуется с энергией связи двумерного экситона в КЯ. В КРС с дельта-слоем Мп эк-ситонный пик заметен только при низкой температуре и практически исчезает при комнатной температуре. Уширение и исчезновение экси-тонного пика, вероятно, связано с увеличением концентрации дефектов в КЯ, генерированных встраиванием дельта-слоя Мп, которое приводит к уменьшению времени жизни экситонов в результате распада их на свободные электрон и дырку.
Рис. 2 показывает влияние толщины спей-серного слоя ^ на спектры ФБШ в области поглощения КЯ при 77 К. В этой серии структур уже при толщине спейсера 6 нм (кривая 3) происходит значительное размытие экситонного пика. При ds = 1.5 нм не только экситонный пик, но и вообще фоточувствительность от КЯ полностью исчезает (кривая 1). Качественно подобное поведение проявляется и на спектрах ФЛ. Уширение и гашение экситонного пика при уменьшении толщины спейсера в основном обусловлено уменьшением времени жизни эк-
ситонов в КЯ в результате увеличения концентрации в КЯ примеси Мп и дефектов, генерированных встраиванием дельта-слоя Мп. Полное исчезновение фоточувствительности и ФЛ от КЯ при ds = 1.5 нм указывает и на сильное уменьшение времени жизни свободных электронов и дырок в КЯ, вероятно, в результате безызлучательной рекомбинации. При этом происходит и уменьшение квантовой эффективности эммиссии, определяющей фоточувствительность.
ю4 МЦИнИп___________1_____________1______________
1,40 1,42 1,44 1,46
/7Г, эВ
Рис. 2. Влияние толщины спейсерного слоя на спектр ФБШ от КЯ при 77 К. ds, нм: 1 - 1.5; 2 - 3;
3 - 6; 4 - без дельта-слоя
Эффект подавления фоточувствительности от КТ начинает проявляться при больших толщинах спейсерного слоя (10 нм) (рис. 3), поскольку из-за большей высоты эмиссионного барьера эмиссионное время жизни носителей в КТ значительно больше, чем в КЯ.
Рис. 4 показывает влияние толщины спей-серного слоя ds на спектр ФМЭ в КРС с КЯ (кривые 1-3). На спектрах КРС при ds = 1 и 3 нм присутствуют полоса собственной фоточувствительности ваЛБ с порогом - 1.4 эВ и значительно более слабая полоса примесной фоточувствительности с порогом - 1 эВ, но не наблюдается фоточувствительности, связанной с поглощением в КЯ. Однако при ds = 5 нм она появляется на спектре ФМЭ (кривая 1) и ФП (кривая 4). Подавление фоточувствительности от КЯ при уменьшении толщины спейсерного слоя до 1-3 нм в этом случае также связано с образованием дефектов, являющихся эффективными центрами рекомбинации, непосредственно в слое КЯ, приводящим к уменьшению квантовой эффективности эмиссиия неравновесных носителей из КЯ.
При полной симметрии структуры КРС вблизи КЯ, расположенной в квазинейтральной
0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
/7 ц ЭВ
Рис. 3. Влияние дельта-слоя Мп на спектр ФПЭ КРС с КТ. Толщина спейсерного слоя, нм: 1 - 10, 2 - 30, 3 - без дельта-слоя Мп
______і______і_____і______і______і_____і______і_____і______і______і_____і______і___
0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
/7V, ЭВ
Рис. 4. Влияние встраивания дельта-слоя Мп на спектры ФМЭ (1-3) и планарной ФП (4) КРС с КЯ ¡пОаЛв/ОаЛБ. Толщина спейсерного слоя ds, нм: 1, 4 -5; 2 - 3; 3 - 1
области, генерация неравновесных носителей в ней с последующей эмиссией их в матрицу может приводить к возникновению ФП, но не должна приводить к возникновению ФМЭ. КЯ является дельтаобразным эмиттером неравновесных электронов и дырок, и диффузионные потоки эмитированных из нее носителей направлены симметрично относительно поперечного магнитного поля. Для возникновения ФМЭ необходимо создать асимметрию потоков, что может быть достигнуто, например, встраиванием КЯ в поверхностный или внутренний (на границе с подложкой) барьер. Действительно, в работе [4] наблюдался ФМЭ в области поглощения КЯ, встроенной вблизи металлургической границы буферного слоя п-ОаЛБ с полу-изолирующей подложкой. Однако встраивание КЯ в поверхностный барьер не всегда приводит к возникновению ФМЭ от КЯ. В данном случае, по-видимому, существенную роль в создании асимметрии потоков играет наличие дельтаслоя Мп, создающего мощный рекомбинационный канал для потоков пар, направленных к поверхности. Знак ФМЭ от КЯ совпадает со знаком ФМЭ в области поглощения матрицы. Это означает, что создающий ФМЭ диффузионный поток фотовозбужденных электроннодырочных пар из КЯ направлен преимущественно в объем КРС.
Для определения рекомбинационных параметров полупроводников обычно используют совместные измерения ФМЭ и ФП [5]. Однако, применение этих методов к исследованным структурам затрудняется присутствием в них энергетических барьеров на поверхности и внутренней п(р)-Б-границе. Эти особенности не учитываются в обычной теории ФМЭ. Для исключения этих усложняющих факторов были
проведены измерения ФМЭ и ФП при высоких уровнях фотовозбуждения ~1018 - 1020 см-1с-1, при которых барьеры в КРС спрямляются и доминирует объемная ФП [6]. Для большинства исследованных структур при таких уровнях возбуждения ФМЭ линейно зависит от освещенности. ФП пропорциональна корню квадратному из освещенности, что соответствует механизму квадратичной объемной рекомбинации.
Определение рекомбинационных параметров структур проводилось по теории [7] в следующих приближениях (для определенности будем иметь в виду структуры п-типа}; толстый образец ^ >> Ьг), относительно низкая скорость
поверхностной рекомбинации <<ІК и ^ << \Г/ }, где Тп и Тр - времена жизни ос-
М/Т р
новных и неосновных носителей, определяющие соответственно ФП и ФМЭ в полупроводнике типа ваЛБ; Г и Ьг = ^Гр • тр - коэффициент и длина биполярной диффузии, d - толщина эпитаксиальной структуры. При этих приближениях выражения для фотомагнитного тока короткого замыкания 1ФМ и ФП АаФП [7] можно записать в виде;
1ФМ = Ч ■Ь•(Цп + Цр} •30 •В-д/Г-тр , (1}
Ч • Ь / \ X
А^ФП = — • (Цп + Цр}•30-тп , (2}
где ч - заряд электрона, Ь и I - ширина и длина образца, соответственно, В - индукция магнитного поля. Из (1} определяется время жизни неосновных носителей Тр, из (2} - время жизни ос-
Таблица
Рекомбинационные параметры исследованных структур
Структура ТфМ, нс ТфП, нс Ld, мкм
n-GaAs, 3 мкм 0.02 7.8 0.1
p-GaAs, 3 мкм 0.1 1.2 1.1
p-GaAs, 5-Mn (0.06 МС) 0.1 4.8 1.1
p-GaAs, 5-Mn (1.4 МС) 0.03 1.7 0.6
p-GaAs, КЯ InGaAs, 5-Mn (0.3 МС) ds = 5 нм 0.02 2 0.5
p-GaAs, КЯ InGaAs, 5-Mn (0.3 МС) ds = 3 нм 0.005 0.4 0.2
p-GaAs, КЯ InGaAs, 5-Mn (0.3 МС) ds = 1 нм 0.01 0.1 0.4
новных носителей тп. Заметим, что при противоположном предположении о большой скорости поверхностной рекомбинации из фотомагнитно-го тока можно определить 5, которая оказывается аномально большой (~ 5106 см/с).
В таблице приведены рекомбинационные параметры ряда исследованных структур, вычисленные при максимальной интенсивности освещения ~ 1020 квант/см2-с. По порядку величины полученные значения близки к имеющимся в литературе данным о времени жизни основных носителей в эпитаксиальных слоях п-ваЛ8 (т ~ 10-8 с) [5] и времени жизни неосновных носителей в монокристаллах р-ваЛ8 (т ~ 10-11 ) [6]. Как видно из таблицы, время жизни и длина диффузии неосновных носителей в слоях п-ваЛ8 примерно на порядок меньше, чем в слоях р-ваЛ8. Высокий уровень дельта-легирования Мп (1.4 МС) приводит к значительному уменьшению времени жизни неосновных носителей, что, очевидно, связано с повышенной концентрацией дефектов в структуре. Уменьшение толщины спейсерного слоя в КРС между КЯ и дельтаслоем Мп приводит к уменьшению, в основном, времени жизни основных носителей.
Заключение
В результате проведенных исследований установлено, что встраивание 5-слоя Мп в приповерхностную область КРС 1п(Оа)Л8/ваЛ8 с КЯ и КТ приводит к подавлению фоточувствитель-
ности от КЯ и КТ, что объясняется образованием в них ловушек типа центров рекомбинации. Этот эффект необходимо учитывать при анализе спин-зависимых оптоэлектронных характеристик таких структур. Определены зависимость этого эффекта от толщины спейсерного слоя между 5-слоем Mn и слоем КЯ и КТ и его влияние на времена жизни основных и неосновных носителей в ряде модельных структур.
Авторы выражают благодарность Б.Н. Звонкову за выращивание структур для исследования.
Работа выполнена при поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009— 2010 годы)» (проект № 2.2.2.2/4297) и CRDF (RUXO-001-NN-06/BP4M01 ).
Список литературы
1. Matsukura F., Ohno H., Dietl T. // Handb. Magn. Mater. 2002. V. 14. P. 1-87.
2. Звонков Б.Н., Вихрова О.В., Данилов Ю.А. // Нанотехника. 2008. № 1. С. 32-43.
3. Розеншер Э., Винтер Б. // Оптоэлектроника. М.: «Техносфера», 2004. 592 с.
4. Карпович И.А., Хапугин О.Е. // Известия РАН, серия физическая. 2009. Т. 73. Вып. 1. С. 119-122.
5. Звонков Б.Н., Подольский В.В., Лесников В.П. и др. // Высокочистые вещества. 1993. № 4. C. 114-121.
6. Карпович И.А., Бедный Б.И., Байдусь Н.В., и др. // ФТП. 1989. Т. 23. № 13. С. 2164-2170.
7. Равич Ю.И. Фотомагнитный эффект в полупроводниках и его применение // М.: Советское радио, 1967. 95 с.
the effect of DELTA-Mn DOPING ON PHOTOELECTRIC SPECTRA OF In(Ga)As/GaAs quantum-dot-quantum-well heterostructures
A.P. Gorshkov, L.A. Istomin, O.E. Khapugin
The influence of delta-Mn doping of ln(Ga)As/GaAs quantum-dot-quantum-well heterostructures on photoconductivity and photovoltaic effect spectra has been studied. It has been shown that embedding of Mn delta-layer leads to suppression of photosensitivity from quantum-confined layers which depends on the type of these layers and the spacer layer thickness. The photosensitivity suppression relates to defect generation, i.e. recombination centers, which decrease quantum efficiency of emission of nonequilibrium carriers from quantum-confined layers. The recombination parameters of some model structures have been determined from measurements of photoconductivity and photomagnetic effects at high photoexcitation levels.
Keywords: photoelectric spectroscopy, quantum well, quantum dots, vapor phase epitaxy, energy spectra, Mn delta-layer, defects.
