Определение энергетических и динамических характеристик гетероструктур с квантовыми точками методами емкостной спектроскопии

В последнее десятилетие огромный интерес в области физики твердого тела проявляется к исследованию гетероструктур пониженной размерности, в которых движение носителей заряда ограничено в одном, двух или во всех трех координатных направлениях. Характерные размеры элементов таких.

Л «7 структур лежат в диапазоне 10» -10″ м, что соответствует средним размерам атомов и молекул в обычных материалах. Это и определяет специфичность свойств вещества в нанометровом масштабе и связанные с этим новые физические явления [1−5]. Гетероструктуры, реализующие предельный случай размерного квантования, в которых носители заряда ограничены в трех координатных направлениях, получили название квантовых точек (КТ). Основные свойства отдельной квантовой точки, такие как ее 8-образная функция плотности энергетических состояний, время релаксации в основное состояние, составляющее величину порядка пикосекунд, и другие находятся в сильной зависимости от геометрии и формы КТ.

В настоящее время для получения гетероструктур с квантовыми точками используют эффекты самоорганизации при эпитаксиальном росте по механизму Странского-Крастанова. В процессе эпитаксии методами молеку-лярно пучковой эпитаксии (МВБ) или газофазного осаждения из металлоор-ганических соединений (МОСУБ) тонких слоев узкозонного материала в матрицу широкозонного формируется массив квантовых точек, геометрия, поверхностная плотность КТ и размер отдельных точек определяются параметрами роста, такими как температура подложки, давление паров газовых смесей и т. д. Следствием эффектов самоорганизации является неоднородное распределение КТ в массиве по геометрическим параметрам, что приводит к уширению плотности энергетических состояний.

Гетероструктуры с КТ являются перспективным материалом оптоэлек-троники, наноэлектроники, одноэлектроники. Однако для практического применения уникальных свойств таких структур необходимо разработать технологию получения плотных массивов квантовых точек, однородных по размерам. Только в этом случае можно реализовать потенциальные преимущества приборов с КТ в качестве активной области. В этой связи актуальным становится создание методики определения вида функции плотности состояний гетероструктур с самоорганизованными КТ и оценка ее уширения, вызванного неоднородностью геометрических размеров квантовых точек в массиве. Для оптимизации технологии изготовления наноструктур с заданными свойствами важной является задача разработки эффективных методов исследования нанообъектов, в частности, квантовых точек.

Не так давно квантовые точки стали рассматриваться в качестве перспективного материала для создания ячеек памяти нового поколения. Ключевыми параметрами таких приборов являются скорость захвата, определяющая быстродействие приборов памяти, вероятность эмиссии или захвата, величина заряда, накопленного в квантовой точке.

Методы исследования, основанные на измерении барьерной емкости р-/2-перехода или барьера Шоттки, успешно зарекомендовали себя при исследовании глубоких уровней в объемных полупроводниках [6,7,8], а впоследствии и для характеризации гетероструктур с квантовыми ямами [9]. В настоящей работе проведено комплексное исследование гетероструктур с массивом самоорганизованных КТ методами емкостной спектроскопии, разработаны новые методы анализа важнейших характеристик КТ, таких как плотность энергетических состояний и динамические параметры, определены основные свойства исследуемых структур, важные как с точки зрения применения КТ в качестве активной области приборов наноэлектроники, так и с точки зрения фундаментальных исследований структур пониженной размерности.

Объектами исследований являлись полупроводниковые гетерострук-туры с массивом самоорганизованных квантовых точек ЫАБ/ОаАБ и 1п-ОаАБЛЗаАБ.

Целью работы является разработка системы характеризации гетерост-руктур с квантовыми точками методами емкостной спектроскопии для получения количественных энергетических и динамических параметров самоорганизующихся квантовых точек.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. разработать способ определения функции плотности энергетических состояний в гетероструктурах, содержащих массив самоорганизованных квантовых точек;

2. разработать методику анализа емкостных переходных процессов захвата для определения энергетических и динамических характеристик процессов захвата в массив квантовых точек;

3. получить количественные данные по скоростям захвата носителей заряда в отдельную квантовую точку.

Научная новизна работы:

1. предложен метод определения плотности состояний в гетероструктурах с самоорганизованными квантовыми точками;

2. определен вид функции плотности состояний гетероструктур с самоорганизованными квантовыми точками ЫАБЛЗаАз;

3. впервые проведены эксперименты по прямому наблюдению емкостных переходных процессов захвата носителей заряда в массив квантовых точек;

4. получены значения скорости захвата носителей заряда в отдельную квантовую точку ТпАзЛЗаАБ в условиях плоских зон;

Практическая ценность работы заключается в создании методики определения плотности энергетических состояний массива самоорганизованных квантовых точек и получении конкретных данных о виде функции плотности состояний в гетероструктурах с массивом квантовых точек 1пАз/ОаАз, что несет важную информацию о качестве технологии получения однородных массивов квантовых точек.

Разработана методика и определены энергетические и динамические характеристики гетероструктур с квантовыми точками, которые задают основные параметры создаваемых на их основе приборов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Регуляризация решения обратной задачи уширенных спектров БЬТ8 позволяет определить распределение плотности энергетических состояний гетероструктур с массивом самоорганизованных КТ.

2. Обработка экспериментальных переходных процессов захвата методом двухстробового интегрирования позволяет провести оценку динамических характеристик гетероструктур с КТ, а именно скорости эмиссии и захвата, сечение захвата носителей заряда в массив квантовых точек.

3. Метод селективной нестационарной емкостной спектроскопии позволяет непосредственно определять количественные характеристики процессов захвата и эмиссии носителей заряда на отдельных участках функции плотности энергетических состояний.

4. Захват дырок в отдельную квантовую точку в системе ТпАз/ваАБ при комнатной температуре происходит за времена порядка нескольких пикосекунд, что позволяет прогнозировать высокую скорость работы одноэлектронных приборов памяти.

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

С — Барьерная емкость полупроводника.

— Напряженность электрического поля.

Еа — Энергия активации.

Ес — Энергия дна зоны проводимости.

Ей — Глубина залегания донорной примеси.

Е? — Энергия уровня Ферми.

Е% - Ширина запрещенной зоны полупроводника.

— Энергия уровня квантования.

Еу — Энергия потолка валентной зоны е — Заряд электрона g — Фактор вырождения энергетического уровня к — Постоянная Планка к — Постоянная Больцмана.

— Дебаевская длина экранирования т* - Эффективная масса электрона в полупроводнике п — Концентрация свободных электронов.

— Концентрация акцепторов.

Ис — Эффективная плотность состояний в зоне проводимости.

N4 — Концентрация доноров.

— Концентрация ионизованных доноров.

Ыт — Концентрация глубоких ловушек р — Концентрация свободных дырок дс ~ Плотность заряда в обедненной области /?-я-перехода.

5 — Площадь р-п перехода или контакта Шоттки.

Т — Абсолютная температура и — Потенциальная энергия.

V — Внешнее приложенное напряжение.

ТУ Ширина области объемного заряда полупроводника р Плотность объемного заряда ф Электростатический потенциал фк Контактная разность потенциалов.

X Электронное сродство полупроводника о Диэлектрическая проницаемость вакуума.

8 — Статическая диэлектрическая проницаемость.

1|/ Волновая функция электрона.

1 Де-Бройлевская длина волны электрона.

МВБ Молекулярно-пучковая эпитаксия.

МОСУО — Газофазное осаждение из металло-органических соединений.

1 Литературный обзор

Выводы по главе 4 1. С помощью нестационарной емкостной спектроскопии впервые зарегистрированы переходные процессы захвата носителей заряда в массив самоорганизующихся квантовых точек. Проанализированы условия регистрации и определены динамические характеристики этих процессов.

70].

4.6.

4.16.

2. Для обработки емкостных переходных процессов захвата предложена методика БЬТ8 захвата, основанная на обработке полученных переходных процессов методом двухстробового интегратора. По температурному положению пиков спектров ОЬТ8-захвата при различных окнах скорости построены зависимости Аррениуса, по наклону которых определены энергии активации процессов эмиссии и захвата. Энергии активации процесса захвата демонстрировали сильную зависимость от приложенного смещения.

3. Предполагая, что захват носителей заряда в КТ 1пАБ/ОаА8 происходит по механизму туннелирования с участием фононов, проведена оценка скорости захвата носителей заряда в отдельную квантовую точку. Полученные значения составили 2.1 пс для 50 К и доли пикосекунд при комнатной температуре.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключение сформулируем основные результаты проделанной работы:

1. На основе анализа существующей литературы по диагностике КТ выработаны теоретические и методологические подходы к анализу самоорганизованных КТ емкостными методами. Установлен набор характеристик, которые можно определять на основе измерения барьерной емкости р-и-перехода.

2. Обнаружено, что на вольт-фарадных характеристиках гетероструктур с самоорганизованными КТ наблюдается два плато, соответствующие двум пикам на наблюдаемых концентрационных профилях основных носителей заряда.

3. Два пика на концентрационной зависимости интерпретируются как пики от основного и группы возбужденных состояний в массиве КТ. Наблюдаемое несоответствие между определенным по концентрационным профилям и истинным геометрическим положением массива КТ объяснено на основе энергетической диаграммы и активационных процессов в КТ.

4. Предложен метод оценки накопленного в массиве КТ заряда с помощью интегрирования площади под концентрационным профилем. Для температуры 160 К величина плотности заряда составила 6.1 • Ю10 см2, а при понижении температуры до 10 К увеличивалась до 11.5 • Ю10 см2. Таким образом, при низких температурах отдельная квантовая точка содержит в среднем 10 электронов.

5. Для объяснения температурно-независимого сигнала ОЬТБ в области низких температур при больших импульсах заполнения сделано предположение о том, что при низких температурах доминирующим механизмом испускания носителей заряда из массива КТ является туннелирование с участием фононов.

6. На основе моделирования спектров БЬТБ с учетом функции Гаусса, проведена оценка уширения экспериментальных спектров БЬТ8. Величина уширения составила 11.3 мэВ для средней энергии 94 мэВ.

7. Предложен метод определения ФПС гетероструктур с массивом самоорганизованных квантовых точек. Метод заключается в решении обратной задачи ОЬТБ с последующей регуляризацией полученного решения по методу Тихонова.

8. Разработана новая методика получения емкостного отклика от перезарядки уровней квантования с отдельного участка уширенного энергетического распределения исследуемых структур — методика Селективной БЬТБ.

9. С помощью нестационарной емкостной спектроскопии впервые зарегистрированы переходные процессы захвата носителей заряда в массив самоорганизующихся квантовых точек. Проанализированы условия регистрации и динамические характеристики этих процессов.

10. Для обработки емкостных переходных процессов захвата предложена методика БЬТБ захвата, основанная на обработке полученных переходных процессов методом двухстробового интегратора. По температурному положению пиков спектров БЬТБ-захвата при различных окнах скорости построены зависимости Аррениуса, по наклону которых определены энергии активации процессов эмиссии и захвата. Энергии активации процесса захвата демонстрировали сильную зависимость от приложенного смещения.

11. Предполагая, что захват носителей заряда в КТ происходит по механизму эмиссии с участием фононов, проведена оценка времени захвата носителей заряда в отдельную квантовую точку. Полученные значения для скорости захвата в КТ 1пА5/ОаА5 составили 2.1 пс для 50 К и понижались до долей пикосекунд при комнатной температуре, что позволяет прогнозировать эффективность ячеек памяти на квантовых точках.