Исследование эмиссии носителей заряда из квантовых точек и ям In(Ga)As/GaAs в матрицу полупроводника методами фотоэлектрической спектроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Волкова Наталья Сергеевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭМИССИИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА ИЗ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК И ЯМ 1п(Са)А$/СаА$ В МАТРИЦУ ПОЛУПРОВОДНИКА МЕТОДАМИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ь ЯН8 2015

005558308

Нижний Новгород - 2014

005558308

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского» на кафедре физики полупроводников и оптоэлектроники.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

Горшков Алексей Павлович

Официальные оппоненты: Орлов Лев Константинович,

доктор физико-математических наук, Институт физики микроструктур Российской академии наук, ведущий научный сотрудник

Литвинов Владимир Георгиевич,

кандидат физико-математических наук, доцент, Рязанский государственный радиотехнический университет, доцент кафедры биомедицинской и полупроводниковой электроники

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук

Защита состоится « 18» марта 2015 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.166.01 при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского по адресу: 603950, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп. 3, Конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского и на сайте: http://diss.unn.ru/442.

Автореферат разослан « января 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н.

Марычев Михаил Олегович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Квантово-размерные гетеронаноструктуры с квантовыми ямами (КЯ) и самоорганизованными квантовыми точками (КТ) 1п(Оа)Ая/СаА$ являются перспективными объектами исследований и разработок в современной физике полупроводников [1]. Их применение позволило значительно улучшить характеристики ряда приборов опто- и наноэлектроники и создать новые приборы: высокоэффективные инжекционные лазеры, фотоприемники и светодиоды, транзисторы с высокой подвижностью электронов и др.

Применение квантово-размерных гетеронаноструктур в качестве активных областей электронных и оптоэлектронных устройств требует исследования не только энергетического спектра КЯ и КТ, но и динамики носителей заряда в них. Традиционно для изучения временных характеристик процессов захвата, эмиссии и рекомбинации используются измерения кинетики фотолюминесценции и нестационарная спектроскопия глубоких уровней. Фотоэлектрическая спектроскопия [2] также может быть применена для изучения эмиссии неравновесных носителей из квантово-размерных объектов. Этот простой в реализации метод позволяет получать информацию о механизмах эмиссии, соотношениях между скоростями эмиссии, рекомбинации и межуровневой релаксации, и влиянии на эти соотношения параметров структур.

Величину квантовой эффективности эмиссии можно рассматривать как параметр, отражающий степень влияния дефектов на оптоэлектронные свойства структур. Достоинство такого подхода к исследованию дефектообразования заключается в том, что эффективность эмиссии чувствительна только к дефектам, находящимся непосредственно в самих квантово-размерных слоях, а не в матрице полупроводника.

Цель и основные задачи работы

Основной целью данной работы являлось изучение методом фотоэлектрической спектроскопии эмиссии носителей заряда из квантово-размерных слоев 1п(Оа)А5/ОаАБ в матрицу ОаАБ и влияния на ее эффективность параметров и дефектности структур. Объектом исследования были структуры с КЯ In.rGai.jAs/GaAs и КТ 1пАх/СаА5, выращенные методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (ГФЭ МОС) при атмосферном давлении водорода - газа-носителя паров МОС в различных технологических режимах. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Развитие теории квантовой эффективности эмиссии фотовозбужденных носителей из массива КТ 1пАз в матрицу СаАэ.

2. Сравнительный анализ оптоэлектронных характеристик структур с КТ ГпАв/ОаАз, выращенных в режиме с легированием примесью-сурфактантом висмутом и в режиме с увеличенным временем прерывания подачи реагентов в процессе роста КТ.

3. Исследование в широком диапазоне температур фотоэлектрических спектров диодных структур с КЯ, КТ и комбинированным слоем КЯ/КТ.

4. Определение параметров КТ, при которых наблюдается хорошее согласие экспериментальных температурных зависимостей фоточувствительности (ФЧ) от КТ с расчетом квантовой эффективности эмиссии.

5. Анализ времен жизни носителей в КТ по отношению к различным механизмам эмиссии, рекомбинации и межуровневой релаксации с целью выяснения эффективности каждого из этих процессов.

6. Исследование влияния дефектообразования при физико-химических и радиационных воздействиях в квантово-размерных гетеронаноструктурах Гп(Са)А5/СаА5 на эффективность эмиссии и рекомбинационное время жизни неравновесных носителей заряда.

Научная новизна работы

1. Впервые получены аналитические выражения для квантовой эффективности эмиссии неравновесных носителей из КТ 1пАя/СаА$ для случая фотогенерации в области основного и первого возбужденного оптических переходов КТ. При выводе учитывались все возможные электронные переходы носителей, находящихся на основных уровнях размерного квантования электрона и дырки и первом возбужденном электронном уровне.

2. В комбинированных структурах КЯ/КТ экспериментально обнаружен эффективный канал эмиссии фотовозбужденных носителей из КТ в матрицу ОэАб через промежуточное состояние КЯ.

3. Разработана оригинальная методика исследования влияния дефектообразования на оптоэлектронные свойства гетеронаноструктур с КЯ и КТ 1п(Са)Ая/ОаА$, основанная на анализе температурной зависимости ФЧ в области поглощения КЯ и КТ.

4. Анализ квантовой эффективности эмиссии носителей из квантово-размерных слоев в матрицу полупроводника позволил оценить ряд электронных параметров КТ ТпАя/ваАх, выращенных методом газофазной эпитаксии при атмосферном давлении.

Научная и практическая значимость работы сводятся к следующему:

1. Развита теория эмиссии неравновесных носителей из КТ ¡пАв/ваЛв, которая позволила описать ряд закономерностей в экспериментально наблюдаемых фотоэлектрических явлениях.

2. Предложен способ исследования степени влияния дефектообразования на оптоэлектронные характеристики квантово-размерных структур, основанный на анализе температурной зависимости ФЧ в области поглощения КЯ и КТ.

3. Выработаны рекомендации по подавлению дефектообразования и уменьшению его влияния на оптоэлектронные характеристики КЯ и КТ.

По материалам диссертации разработана и поставлена лабораторная работа

для студентов «Исследование температурных и полевых зависимостей

фоточувствительности гетеронаноструктур с квантовыми точками ТпАз/ваАз».

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Модель процесса эмиссии неравновесных носителей из КТ ¡пАв/ваЛв для случая низкого уровня фотовозбуждения, учитывающая два электронных и один дырочный уровень размерного квантования, позволяет описывать экспериментальные температурные зависимости фоточувствительности от КТ в области основного и первого возбужденного оптических переходов.

2. В структурах с комбинированным слоем КЯ/КТ ЫСаАзЛпАв наиболее эффективным механизмом эмиссии электронов из КТ, встроенных в область пространственного заряда поверхностного барьера, в диапазоне температур 130-300 К является термоактивированная эмиссия через 20-состояния гибридной КЯ. Этот процесс происходит в несколько раз быстрее, чем аналогичный процесс через состояния смачивающего слоя в структурах с одиночным слоем КТ с той же энергией основного перехода (= 1 эВ).

3. Температурная зависимость фоточувствительности от КЯ и КТ 1п(Оа)Аз/СаАз является чувствительным индикатором дефектообразования, даже когда на фотоэлектрическом спектре при комнатной температуре дефектообразование непосредственно не проявляется. Анализ температурной зависимости фоточувствительности от КТ позволяет оценить степень влияния дефектообразования на рекомбинационное время жизни носителей.

Личный вклад автора в получение результатов

Автором внесен определяющий вклад в получение основных экспериментальных результатов и выполнение теоретического расчета эффективности эмиссии носителей заряда из КТ. Планирование экспериментов, обсуждение и анализ результатов проводились совместно с д.ф.-м.н. И.А. Карповичем и научным руководителем работы к.ф.-м.н. А.П. Горшковым. По некоторым вопросам, касающимся построения теоретической модели эмиссии, автор консультировался с с.н.с. НИФТИ ННГУ Д.О. Филатовым, инженером ИФП СО РАН Д.С. Абрамкиным и г.н.с. ИФМ РАН В.Я. Алешкиным. Исследованные в работе структуры выращены в группе эпитаксиальной технологии НИФТИ ННГУ в.н.с. Б.Н. Звонковым. Исследования фотолюминесценции выполнены с.н.с. НИФТИ ННГУ О.В. Вихровой и с.н.с. НИФТИ ННГУ Н.В. Байдусем. Расчеты энергетических диаграмм структур с ¿-слоем Si выполнены доц. кафедры ЭТТ C.B. Хазановой и аспирантом кафедры ЭТТ В.Е. Дегтяревым. Напыление диодов Шоттки производилось доц. кафедры ФПО C.B. Тиховым и с.н.с. НИФТИ ННГУ A.B. Здоровейщевым.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на 11-15 Всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2009-2013 гг.), 14-19 Нижегородских сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 2009-2014 гг.), XV-XVIII международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2011 - 2014 гг.).

Достоверность полученных результатов подтверждается их воспроизводимостью, согласием с литературными данными и соответствием существующим теоретическим представлениям о свойствах квантово-размерных гетеронаноструктур с KT и КЯ.

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 27 научных работ: 10 статей в журналах, входящих в перечень ВАК, и 17 публикаций в материалах конференций [AI - А27].

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 150 страниц, включая 67 рисунков и 4 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 125 наименований, список работ автора по теме диссертации - 27 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, обозначены цель и задачи работы. Показаны ее научная новизна, практическая значимость и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер.

Раздел 1.1 посвящен механизмам эмиссии, рекомбинации и межуровневой релаксации носителей в КТ 1пА5/СаА$. Отмечается, что величина ФЧ от квантово-размерных слоев пропорциональна эффективности эмиссии, которая может быть описана формулой г| = т^Дт^ + т^), где т„г и хгес - эффективные времена жизни носителей по отношению к эмиссии и рекомбинации соответственно. Приведены результаты исследований эмиссии носителей из КТ методами фотоэлектрической [3], БЬТБ [4] и адмиттанс-спектроскопии [5].

В разделе 1.2 кратко изложена теория эмиссии носителей из КЯ на примере гетеросистемы СаАБ/АЮаАв [6].

В разделе 1.3 рассмотрено влияние дефектов, возникающих как на технологических этапах создания приборов на основе КТ и КЯ 1п(Са)Ак/СаА5, так и при их эксплуатации в неблагоприятных условиях внешней среды, на оптоэлектронные характеристики устройств. Кратко описаны свойства некоторых видов точечных дефектов в СаАБ. Приведены результаты исследований влияния дефектообразования при нанесении палладия, облучении ионами аргона и анодном окислении на фотолюминесценцию и ФЧ структур с КЯ ЬСаАв/баАз.

Вторая глава содержит описание основных типов исследованных структур с КЯ и КТ 1п(Оа)А5/СаА5. Структуры выращивались методом ГФЭ МОС. Для повышения однородности КТ по размерам применялось два технологических режима: с легированием слоя КТ висмутом и с увеличенным временем

прерывания роста. Излагаются использованные в работе методики фотоэлектрической спектроскопии.

В третьей главе приведены экспериментальные результаты исследований температурной зависимости ФЧ в области межзонного оптического поглощения КТ и проведен их анализ с применением разработанной теоретической модели процесса эмиссии.

В разделе 3.1 дана общая характеристика спектров ФЧ и ее температурной зависимости для структур с КТ, КЯ и с комбинированным слоем КЯ/КТ (рис. 1). Все квантово-размерные слои находились в электрическом поле поверхностного барьера. При повышении температуры наблюдается появление и рост ФЧ от КТ (рис. 1, вставка), свидетельствующий о доминировании термоактивированного механизма эмиссии. Затем следует участок насыщения, означающий, что квантовая эффективность эмиссии г) приближается к Именно по этому ФЧ в дальнейшем нормироваться на для сравнения с ФЧ в области и объемного понижении

единице, участку будет единицу теорией, поглощения КЯ СаАз при

температуры до 77 К полностью сохраняется. В случае КЯ это связано с меньшей, чем в КТ, высотой эмиссионного барьера, а в случае ваАз - с тем, что электронно-дырочные пары генерируются уже в самой матрице. На всех кривых в области высоких температур наблюдается спад ФЧ, вероятно связанный с усилением рекомбинации в матрице полупроводника.

В разделе 3.2 излагается модель процесса эмиссии фотовозбужденных электронов и дырок из массива КТ ¡пАв в матрицу СаАв. Расчет эффективности эмиссии проводился с учетом двух электронных уровней Ел и Ее1 (с возможностью обмена носителями между ними) и одного дырочного ЕШ) (рис. 2). С каждого из них учитывались следующие механизмы эмиссии: термическая эмиссия в матрицу СаАв (с временем жизни хи'п" [4]), термическая эмиссия в 20-состояния смачивающего слоя 1пАб (т"'""^2[1), туннельная эмиссия в матрицу (т'"" [7, 8]) и термоактивированная туннельная через виртуальные состояния с участием продольных оптических фононов (х'р [9]). Некоторые из этих процессов для электрона схематически показаны на вставке рис. 3. Рассматривались все возможные состояния КТ при низком уровне оптического возбуждения (рис. 2),

Рис. 1. Спектры ФЧ структур с КТ (1), с комбинированным слоем КЯ/КТ (2) и с тремя КЯ (3) при 300 К. На вставке приведены температурные зависимости ФЧ.

для которого можно пренебречь образованием биэкситонов. В случае, когда число КТ, находящихся в состояниях и]10, «юь «ою. "ооь "100. много меньше (общего числа КТ), а пт) ~ скорости изменения числа КТ в каждом из этих состояний при фотовозбуждении в области основного оптического перехода описываются

следующими уравнениями:

dnU0/dt = G + nm /т32 - ипо( 1/тгес + 1/т23 + 1/т,„с + l/t2esc ), ( 1 )

dnm/dt = и1Ю/т23 -и101(1/т32 +1/т1ис +l/x3„J, (2) dn0i0/dt = nm/ т1юс +

VO (3)

^«001 M = "010Л2З + «101 Al„c - "00l(VT32 + VT3eJ> (4)

dnim/dt = «110/x2esc + nm /x3esc -nl00/zlesc, (5)

где G - скорость фотогенерации электронно-дырочных пар в КТ (если фотогенерация осуществляется в области возбужденного перехода, то G переходит из уравнения (1) в (2)); т32 - время межуровневой релаксации электрона; т23 - время перехода электрона из основного в возбужденное состояние; тгес - результирующее рекомбинационное время жизни электронно-дырочных пар, находящихся в основном состоянии; Ti„c, т2„„ т3ыс -результирующие эмиссионные времена жизни носителей, находящихся на уровнях Ehhо, Еео, Ее1 соответственно. Времена т23 и т32 с учетом того, что уровни Ел и Ее1 двукратно и четырехкратно вырождены, связаны соотношением т23 =1/2т32 ехр(АЕю/квТ), где А£Г10 - расстояние между уровнями размерного квантования электронов.

ООО 110 101 010 001 100

ïfX -ft. -Д. -ft.-ft.-ft.

Рис. 2. Возможные состояния КТ при низком уровне оптического возбуждения.

В стационарном случае производные по времени в уравнениях (1-5) равны нулю, и для эффективности эмиссии, определяемой как

л = ("о,о hiesc + «00, Аз « + "loo Ai«c )/G. (6)

могут быть получены аналитические выражения: при фотогенерации в области основного перехода

1 1 1 1 1

—+-+—+ —

Т23 Т2«с Т32 tjescJ (7)

при фотогенерации в области первого возбужденного состояния

Раздел 3.3 посвящен применению теории квантовой эффективности эмиссии для описания экспериментальных температурных зависимостей ФЧ в области основного и первого возбужденного

переходов в КТ ^Ав/ОаАэ (рис. 3). Хорошее согласие теории с экспериментом получено при следующих значениях параметров КТ: тгес - 0.4 не; т32 = 3.55 пс; Д£ю = 72 мэВ; £0с=190мэВ (расстояние от Ел до дна зоны проводимости матрицы);

Ь = 8 нм (эффективная высота КТ); ап = 10'" см2 и <тАЛ = 1.1 ■ 10"" см2 (сечения захвата электронов и дырок КТ); Е™ = 29 мэВ (энергия дна нижней электронной подзоны размерного квантования в смачивающем слое 1пАз); = 0.05 (параметр Хуанга-Риса), которые находятся в согласии с литературными данными.

Температурные зависимости времен жизни носителей по отношению к различным процессам показаны на рис. 4. Электрон эмитирует быстрее дырки. В данной структуре основным механизмом является надбарьерная эмиссия в матрицу ваАэ, а термическая активация в 2Э-состояния смачивающего слоя 1пАб происходит в 2-4 раза медленнее. С ростом температуры увеличивается вероятность термического заброса электрона из основного на возбужденное состояние, из которого темп эмиссии существенно выше (рис. 4, б), чем из основного. Показано, что разность величин ФЧ при фотогенерации в области основного и первого возбужденного оптических переходов (рис. 3) определяется конкуренцией процессов эмиссии с возбужденного состояния и межуровневой релаксации. Дано количественное объяснение этой разности (4 % при 130 К).

В разделе 3.4 установлено, что увеличение обратного смещения на барьере Шоттки приводит к ослаблению температурной зависимости ФЧ от КТ (рис. 5, кривые 2-6) в результате роста вклада в ФЧ туннельных компонент эмиссии. При достаточно больших смещениях и низких температурах туннельные механизмы эмиссии становятся доминирующими, о чем свидетельствует появление участка, на котором ФЧ не зависит от температуры.

Г, К

Рис. 3. Температурные зависимости ФЧ в области основного Ео (1) и первого возбужденного Е\ (2) переходов в КТ 1пЛ8/Са/\л при напряженности электрического поля Е= 70 кВ/см. Сплошные кривые -теоретический расчет, точки - экспериментальные значения из спектров ФЧ.

Рис. 4. Температурные зависимости времени жизни носителей на основных Ем и Емо (а) и возбужденном Ее\ (б) состояниях в КТ 1пА5/СаА5 при Е = 70 кВ/см.

Значения напряженности электрического поля в КТ при подаче различных напряжений смещения на барьер в данной задаче являлись подгоночными параметрами, поскольку структура была выращена на полуизолирующей подложке, и при обратном смещении происходило частичное смыкание ОПЗ поверхностного барьера с ОПЗ барьера на границе буферного слоя и-типа с полуизолятором, о чем свидетельствовал вид СУ-характеристики. При построении теоретических температурных зависимостей г) для всех кривых на рис. 5 использовались значения параметров КТ, при которых наблюдалось хорошее согласие теории и эксперимента при нулевом смещении (рис. 3), когда поле было определено точно (Р = 70 кВ/см).

7 8 9 10 11 12 13 7 О3/Г, К"1

7 8 9 10 11 12 13 1(?/Т, К"'

Рис. 5. Влияние электрического поля на температурные зависимости ФЧ в области основного (а) и первого возбужденного (б) переходов в КТ. Обратное смещение на барьере Шоттки, В: I - 0, 2 - - 0.5, 3 - - 1, 4 - - 1.5, 5 - - 2, 6 - - 2.5. Сплошные кривые - теоретический расчет, точки - экспериментальные значения из спектров ФЧ. На кривой 7 число КТ, занятых неравновесными дырками, составляет I %, а на кривой 8- Ю % от общего числа КТ.

Определены границы применимости теории, т. е. условия, при которых для данных КТ можно пренебречь накоплением в массиве КТ неравновесных дырок (рис. 5, кривые 7, 8).

Раздел 3.5 посвящен исследованию фотоэлектрических явлений в структурах с КТ 1пА$ЮаА5, выращенными в режиме с прерыванием роста. Показано, что этот режим позволяет получать КТ, энергетический спектр которых практически не чувствителен к изменениям толщины покровного слоя ваАБ и наличию в нем квантовой ямы 1пОаА5. Это позволило провести сравнительный экспериментальный анализ эффективности эмиссии носителей через смачивающий слой в структуре с одиночным слоем КТ и через гибридную КЯ [10] в структуре с комбинированным слоем КЯ/КТ. В структуре КЯ/КТ ФЧ от КТ сохраняется до более низких температур (рис. 6, кривая /) по сравнению со структурой с одиночным слоем КТ (кривая 2). Это связано с тем, что в гибридной КЯ дно основной электронной подзоны лежит глубже, чем в смачивающем слое [10]. Проведенный анализ времен жизни показал, что в диапазоне 130-300 К термическая активация в 20-состояния гибридной КЯ является доминирующим механизмом эмиссии электронов из КТ. Этот процесс происходит в несколько раз быстрее, чем аналогичный процесс через состояния смачивающего слоя в структурах с одиночным слоем КТ с той же энергией основного перехода (= 1 эВ).

Показано, что форма спектра ФЧ слоем КЯ In0.2Ga0.sAs на температурную структур С бимодальным массивом КТ, зависимость ФЧ в области основного перехода который может формироваться в в КТ, вь,ращенных в режиме с увеличенным

временем прерывания роста. 1 - структура с режиме с увеличенным временем комбинирова

нным слоем КЯ/КТ, 2 - структура прерывания роста [11], существенно с одиночным слоем КТ. отличается от формы спектра ФЧ

структур с одномодальным массивом КТ, выращенных в режиме с легированием висмутом. В бимодальных структурах высокоэнергетический пик ФЧ при /гу^ЬОэВ более размыт и значительно превышает по высоте низкоэнергетический узкий пик при /IV = 0.9 эВ, связанный с основным переходом в массиве крупных КТ. Высота и ширина высокоэнергетического пика в этих структурах определяется вкладом в него перехода между первыми возбужденными состояниями электрона и дырки в массиве крупных КТ и основным переходом в массиве мелких КТ. Большая высота этого пика свидетельствует о ярко выраженной бимодальности массива КТ и высокой концентрации мелких КТ. Температурные зависимости ФЧ при оптическом возбуждении в области основного перехода мелких КТ и в области основного перехода крупных КТ существенно различаются (на 30 % при 140 К).

Рис. 6. Влияние покрытия слоя КТ 1пА5

В разделе 3.6 исследовано влияние дополнительного потенциального барьера в валентной зоне, создаваемого донорным ¿-слоем Б!, на эмиссию носителей из КЯ Ino.17Gao.83As/GaAs. Экспериментально установлено, что увеличение эмиссионного барьера на 100 мэВ полностью подавляет эмиссию дырок при 77 К. Эффект подтверждается расчетом времени жизни.

В четвертой главе приведены результаты исследования влияния дефектообразования при анодном окислении, ионной имплантации, нанесении химически активного металла и нейтронном облучении на эффективность эмиссии носителей из КЯ и КТ и их рекомбинационное время жизни.

В разделе 4.1 установлено, что после окисления температурная зависимость ФЧ от КТ сдвигается в область высоких температур на 50 К. Эффект обусловлен как уменьшением рекомбинационного времени жизни носителей в КТ вследствие дефектообразования, так и увеличением высоты эмиссионного барьера в КТ вследствие изменения энергетического спектра КТ, вызванного релаксацией упругих напряжений после окисления.

В окисленных структурах с тремя КЯ ФЧ от ближайшей к поверхности самой глубокой КЯЗ приобретает активационный характер (рис. 7, кривая 4), а от менее глубоких КЯ2 и КЯ1, расположенных дальше от поверхности, не меняется. Эффект связан как с задержкой идущих от поверхности дефектов упруго-напряженным слоем КЯЗ, так и с малой высотой эмиссионного барьера в КЯ2 и КЯ1.

Установлено, что встраивание КЯ перед слоем КТ на расстоянии 12 нм защищает КТ от проникновения в них дефектов. При малой толщине спейсера (0-3 нм) влияние дефектов при анодном окислении проявляется даже сильнее, чем в структурах с одиночным слоем КТ.

В разделе 4.2 показано, что образование дефектов при ионов Не+ с дозой к уменьшению

ФЧ от КТ и сдвигу температурной зависимости в область высоких температур. При дозах выше 10й см"2 ФЧ от КТ полностью исчезает. ФЧ от КЯ смачивающего слоя оказывается менее чувствительной к дефектообразованию, поскольку эмиссионное время жизни носителей в смачивающем слое много меньше, чем в КТ. Но и она исчезает при дозе 1012 см'2.

В разделе 4.3 проведен анализ влияния условий нанесения Со на поверхность структур с КТ на результирующее рекомбинационное время жизни хгес носителей в КТ. Варьировалась температура нанесения Со-контакта (Гс0 = 90 и 160°С) и

со

* * А-»-,

-о 2 ~А3

V

7 8 9 10 10? / Г, К 1

11 12 13

имплантации Ю|0см"2 приводит

Рис. 7. Температурная зависимость ФЧ в области экситонного поглощения средней КЯ2 (/, 2) и ближайшей к поверхности КЯЗ (3, 4): /, 3 - до окисления; 2, 4 - после окисления (толщина слоя окисла 5 нм).

толщина покровного слоя СаАя (с1с = 15 и 30 нм). Наилучшее согласие экспериментальных температурных зависимостей ФЧ и расчетных кривых эффективности эмиссии было получено при следующих значениях тгес: 170 пс для структуры с с1с = 30 нм и ТСо = 90°С; 60 пс при йс - 15 нм и ТСо = 90°С; меньше 45 пс при йс - 15 нм и ГСо = 160°С; 90 пс в структуре с йс = 15 нм, ТСо - 90°С и 3 нм слоем А120з на поверхности СаАя. Таким образом, увеличение температуры нанесения Со и приближение слоя КТ к поверхности увеличивает концентрацию дефектов в слое КТ, а встраивание промежуточного слоя А1203 уменьшает дефектообразование.

В разделе 4.4 исследовано влияние облучения нейтронами с энергией 1.89 МэВ и флюенсом 1014- 1015 н/см2 структур с КТ и тремя КЯ шириной 10 нм на их оптоэлектронные свойства. После облучения температурная зависимость ФЧ от самой глубокой КЯЗ 1по.25Сгао.75А5 приобретает активационный характер; в более мелкой КЯ2 1по.14Са(ш,А$ характер температурной зависимости ФЧ не меняется.

После облучения структур с КТ (1.5-1015 н/см2) наблюдалось равномерное по всему спектру падение ФЧ в ~ 2.5 раза, а характер температурной зависимости в области основного перехода в КТ не менялся. Это связано с тем, что при нейтронном воздействии в структуре образуются сильно дефектные области с концентрацией дефектов ~102Осм"3 [12], но они компактны (радиус области = 20 нм [12]) и находятся на значительном расстоянии друг от друга. Эти дефектные зоны не могут подавить ФЧ от всего массива КТ. Фотосигнал полностью исчезает (даже при 300 К) только от тех КТ, которые непосредственно попадают в них. Пространственное ограничение латерального движения носителей в слое КТ обеспечивает неизменность характера температурной зависимости ФЧ до и после облучения. Для КЯ такое ограничение отсутствует. Поэтому, если при понижении температуры эмиссионное время жизни фотовозбужденных носителей станет больше времени, необходимого для их перемещения к дефектным областям, будет наблюдаться падение ФЧ, что и имеет место в эксперименте для КЯЗ.

В заключении кратко приведены основные результаты диссертации.

В конце 3 и 4 глав сформулированы основные выводы работы:

1. Предложена модель процесса эмиссии неравновесных носителей из КТ 1пАя/СаА5 для случая низкого уровня фотовозбуждения. В модели было учтено два электронных и один дырочный уровень размерного квантования, с каждого из которых рассматривались следующие механизмы эмиссии: термическая активация в ЗБ-состояния ОаАв и в 20-состояпия смачивающего слоя ¡пАб, прямое и термоактивированное туннелирование в матрицу ОаАэ. Также учитывался электронный обмен между основным и первым возбужденным состояниями электрона в КТ.

2. Получены аналитические выражения для эффективности эмиссии, позволяющие описывать температурные зависимости ФЧ при фотогенерации в области основного и первого возбужденного оптических переходов в КТ.

Показано хорошее согласие с экспериментом при согласующихся с литературными данными параметрах КТ ГпАБ/ОаАБ.

3. Вклад каждого механизма эмиссии при различных температурах и напряженностях электрического поля может быть определен из анализа температурных зависимостей времен жизни носителей по отношению к различным процессам.

4. Эмиссия электрона из основного состояния КТ 1пАэ/СаА8, выращенных ГФЭ МОС, происходит быстрее эмиссии дырки во всем температурном диапазоне (77 - 300 К). Это означает, что ФЧ от КТ и ее температурная зависимость в основном определяются эмиссией электронов.

5. Установлено, что увеличение напряженности электрического поля в окрестности слоя КТ приводит к ослаблению температурной зависимости ФЧ в области основного и первого возбужденного состояний КТ в результате роста вклада в ФЧ туннельных механизмов эмиссии, которые при достаточно больших напряженностях поля и низких температурах становится доминирующими. Определены условия (температура, напряженность электрического поля), при которых для данных КТ можно пренебречь накоплением в массиве КТ дырок, т. е. считать уровень фотовозбуждения низким.

6. Показано, что анализ формы фотоэлектрического спектра и температурной зависимости ФЧ от КТ позволяют выявлять образование бимодальных массивов КТ.

7. Показано, что метод ГФЭ МОС в режиме с прерыванием роста позволяет получать гетероструктуры с КТ 1пАз/СаАз, энергетический спектр которых слабо чувствителен к изменениям толщины и состава покровного слоя СаАвЛпОаАз. Поскольку в данных структурах наличие квантовой ямы 1пОаАБ не изменяет энергетический спектр КТ 1пАя, сравнительное исследование структур с КТ и КЯ/КТ позволило обнаружить эффективный канал эмиссии фотовозбужденных носителей из КТ в матрицу ОаАэ через промежуточное состояние КЯ.

8. Установлено, что встраивание ¿-слоя между КЯ 1пСаАз/СаАз и поверхностью структуры приводит к подавлению ФЧ от КЯ. Это объясняется тем, что дополнительный кулоновский барьер ¿-слоя эффективно препятствует эмиссии дырок из КЯ к поверхности структуры. Результат подтвержден расчетом эмиссионного времени жизни дырок в КЯ.

9. Установлено, что образование дефектов при имплантации ионов Не+ и анодном окислении поверхности КРГ приводит к уменьшению ФЧ от КТ и сдвигу температурной зависимости в область более высоких температур. Этот эффект объясняется генерацией в структуре дефектов, уменьшающих результирующее рекомбинационное время жизни носителей в КТ.

10. Показано, что в структурах с несколькими КЯ после анодного окисления появляется активационная зависимость ФЧ в области поглощения ближайшей к поверхности самой глубокой КЯ. В других, более мелких КЯ ФЧ практически не зависит от температуры. Этот эффект объясняется как зависимостью эмиссионного времени жизни от глубины КЯ, так и задержкой

распространения дефектов упруго-напряженной первой КЯ в глубь структуры.

11. Показано, что встраивание слоя КЯ перед слоем КТ при толщинах спейсерного слоя между ними, превышающих эффективную длину туннелирования носителей заряда, существенно уменьшает влияние поверхностного дефектообразования на ФЧ от КТ в результате задержки распространения дефектов слоем КЯ. Это явление может быть использовано для защиты активного слоя КТ от проникновения дефектов при некоторых технологических операциях.

12. Исследовано влияние условий нанесения Со-контакта в структурах с КТ на рекомбинационное время жизни. Увеличение температуры напыления Со и приближение слоя КТ к поверхности приводит к снижению рекомбинационного времени жизни носителей в КТ из-за увеличения концентрации дефектов. Встраивание промежуточного слоя А1203 уменьшает дефектообразование.

13. Показано, что после нейтронного облучения флюенсом 1.5-1015 н/см2 характер температурной зависимости ФЧ от КТ ¡пАзЮаАБ не меняется, несмотря на то, что дефектообразование в слое КТ присутствует. Эффект объясняется затруднением перемещения фотовозбуждённых носителей в слое квантовых точек к центрам рекомбинации, возникающим при облучении.

Список публикаций автора по теме диссертации

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

А1. Волкова, Н. С. Влияние анодного окисления арсенидных гетероструктур с квантовыми точками на температурные зависимости фотоэлектрических спектров / Н. С. Волкова, А. П. Горшков // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия физико-математические науки. - 2010. - Т. 3. - С. 63-65.

А2. Волкова, Н. С. Влияние поверхностного дефектообразования на фотоэлектрические спектры квантово-размерных гетеронаноструктур 1п(Оа)А5/СаА5, выращенных газофазной эпитаксией / Н. С. Волкова, А. П. Горшков, И. А. Карпович // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия физическая. - 2012. - № 2 (1).-С. 34-38.

АЗ. Горшков, А. П. Влияние электрического поля, температуры, дефектообразования на процесс эмиссии неравновесных носителей из квантовых точек ТпАх/СаЛз / А. П. Горшков, И. А. Карпович, Н. С. Волкова // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2012. -№ 6. - С. 59-61.

А4. Волкова, Н. С. Исследование эмиссии фотовозбужденных носителей из квантовых точек ГлАв/СаЛв, выращенных газофазной эпитаксией / Н. С. Волкова, А. П. Горшков // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия физическая. - 2012. - № 4 (1).-С. 88-90.

А5. Влияние облучения ионами Не+ на спектры фоточувствительности структур с квантовыми ямами и точками 1п(Оа)А5/ОаА5 / А. П. Горшков, И. А. Карпович, Е. Д. Павлова, Н. С. Волкова // ФТП. - 2012. - Т. 46, вып. 12. - С. 1542-1545.

А6. Фотоэлектрические свойства бимодальных массивов квантовых точек ГнАй/ваАз, выращенных газофазной эпитаксией / А. П. Горшков, Н. С. Волкова, И. А. Карпович, А. В.

Здоровейщев, И. А. Полова // Известия РАН. Серия физическая. - 2013. - № 77. - С. 6163.

А7. Влияние режима выращивания слоев квантовых точек InAs/GaAs в методе газофазной эпитаксии на их оптоэлектронные свойства / С. Б. Левичев, Н. С. Волкова, А. П. Горшков, О. В. Вихрова, А. В. Здоровейщев, JI. А. Истомин // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия физическая. - 2013. -№ 4 (1). - С. 33-37.

А8. Оптоэлектронные свойства гетеронаноструктур с комбинированными слоями квантовых ям и точек In(Ga)As/GaAs / Н. С. Волкова, А. П. Горшков, А. В. Здоровейщев, О. В. Вихрова, Б. Н. Звонков // ФТП. - 2013. Т. 47, вып. 12. - С. 1609-1612.

А9. Comparison of optoelectronic properties of InAs/GaAs quantum dots grown under different conditions by metalorganic vapor phase epitaxy / S. Levichev, N. S. Volkova, A. P. Gorshkov, A. V. Zdoroveishev, О. V. Vikhrova, E. V. Utsyna, L. A. Istomin, B. N. Zvonkov // Journal of Luminescence. - 2014. - Vol. 147. - P. 59-62.

A10. Эмиссия фотовозбужденных носителей из квантовых точек InAs/GaAs, выращенных газофазной эпитаксией / Н. С. Волкова, А. П. Горшков, Д. О. Филатов, Д. С. Абрамкин // Письма в ЖЭТФ. - 2014. - Т. 100, № 3. - С. 175-180.

Материалы конференций:

All. Волкова, Н. С. Влияние анодного окисления структур с квантовыми точками InAs/GaAs на температурные зависимости фотоэлектрических спектров / Н. С. Волкова, А. П. Горшков // Материалы одиннадцатой всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, г. Санкт- Петербург, 30 ноября - 4 декабря 2009 г. - С. 76.

А12. Павлова, Е. Д. Влияние электрического поля на фотоэлектрические спектры гетеронаноструктур с квантовыми точками InAs/GaAs / Е. Д. Павлова, Н. С. Волкова А. П. Горшков // Материалы XIV Нижегородской сессии молодых ученых. Естественнонаучные дисциплины. Нижний Новгород, 2009 г. - С. 30.

А13. Волкова, Н. С. Влияние модификации покровного слоя структур с квантовыми точками InAs/GaAs на температурные зависимости фотоэлектрических спектров / Н. С. Волкова, А. П. Горшков // Материалы XV Нижегородской сессии молодых ученых. Естественнонаучные дисциплины. Нижний Новгород, 19-23 апреля 2010 г. - С. 101.

А14. Волкова, Н. С. Влияние физико-химической модификации покровного слоя структур с квантовыми точками InAs/GaAs на температурные зависимости фотоэлектрических спектров / Н. С. Волкова, А. П. Горшков // Материалы 17-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2010», г. Зеленоград, 28 - 30 апреля 2010 г. - С. 32.

А15. Волкова, Н. С. Влияние электрического поля и температуры на процессы эмиссии неравновесных носителей из квантовых точек InAs/GaAs / Н. С. Волкова, А. П. Горшков // Материалы двенадцатой всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, г. Санкт- Петербург, 25 - 29 октября 2010 г. - С. 44.

А16. Горшков, А. П. Влияние электрического поля, температуры, дефектообразования на процесс эмиссии неравновесных носителей из квантовых точек InAs/GaAs / А. П. Горшков, И. А. Карпович, Н. С. Волкова // Нанофизика и наноэлектроника. XV Международный симпозиум, Нижний Новгород: ИФМ РАН, 14-18 марта 2011 г. - Т. 2. -С. 467^68.

А17. Волкова, Н. С. Влияние электрического поля и температуры на фотоэлектрические спектры гетеронаноструктур с квантовыми точками InAs/GaAs / Н. С. Волкова, А. П. Горшков // Материалы 18-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2011», г. Зеленоград, 19-21 апреля 2011 Г.-С.31.

А18. Волкова, Н. С. Фотоэлектрические спектры бимодальных массивов квантовых точек InAs/GaAs, выращенных газофазной эпитаксией / Н. С. Волкова, А. П. Горшков, И. А. Карпович // Материалы тринадцатой всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, г. Санкт- Петербург, 21 -25 ноября2011 г.-С. 61.

А19. Павлова, Е. Д. Влияние имплантации ионами Не+ на спектры фоточувствительности структур с квантовыми ямами и точками In(Ga)As/GaAs / Е. Д. Павлова, А. П. Горшков, Н. С. Волкова // Тезисы докладов XXX Научных чтений имени академика Николая Васильевича Белова, Нижний Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 20-21 декабря 2011 г.-С. 151.

А20. Фотоэлектрические свойства бимодальных массивов квантовых точек InAs/GaAs, выращенных газофазной эпитаксией / А. П. Горшков, Н. С. Волкова, И. А. Карпович, А. В. Здоровейщев, И. А. Полова // Нанофизика и наноэлектроника. XVI Международный симпозиум, Нижний Новгород: ИФМ РАН, 12-16 марта 2012 г. - Т. 1. - С. 219-220.

А21. Влияние облучения ионами Не+ на спектры фоточувствительности структур с квантовыми ямами и точками In(Ga)As/GaAs / А. П. Горшков, И. А. Карпович, Е. Д. Павлова, Н. С. Волкова // Нанофизика и наноэлектроника. XVI Международный симпозиум, Нижний Новгород: ИФМ РАН, 12-16 марта 2012 г. - Т. 1. - С. 221-222.

А22. Волкова, Н.С. Влияние поверхностного дефектообразования на фотоэлектронные свойства квантово-размерных гетеронаноструктур In(Ga)As/GaAs / Н. С. Волкова, А. П. Горшков, И. А. Карпович // Материалы XVII Нижегородской сессии молодых ученых. Естественнонаучные дисциплины. Нижний Новгород, 28-31 мая 2012 г. - С. 53-56.

А23. Волкова, Н. С. Оптоэлектронные свойства гетеронаноструктур с комбинированными слоями квантовых ям и точек In(Ga)As/GaAs / Н. С. Волкова, А. П. Горшков // Материалы четырнадцатой всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, г. Санкт- Петербург, 26 - 30 ноября 2012 г. -С. 57.

А24. Оптоэлектронные свойства гетеронаноструктур с комбинированными слоями квантовых ям и точек In(Ga)As / Н. С. Волкова, А. П. Горшков, А. В. Здоровейщев, О. В. Вихрова // Нанофизика и наноэлектроника. XVII Международный симпозиум, Нижний Новгород: ИФМ РАН, 11-15 марта 2013 г. - Т. 2. - С. 339-340.

А25. Влияние нейтронного облучения на фотоэлектрические свойства квантово-размерных гетеронаноструктур In(Ga)As/GaAs / Н. С. Волкова, А. П. Горшков, Н. В. Байдусь, О. В. Вихрова, Б. Н. Звонков, А. Н. Труфанов // Материалы XVIII Нижегородской сессии молодых ученых. Естественные, математические науки. Нижний Новгород, 28-31 мая 2013 г.-С. 17-18.

А26. Влияние нейтронного облучения на оптоэлектронные свойства квантово-размерных гетеронаноструктур In(Ga)As/GaAs / Н. С. Волкова, А. П. Горшков, Н. В. Байдусь, О. В. Вихрова, Б. Н. Звонков, А. Н. Труфанов // Тезисы докладов XV Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, г. Санкт- Петербург, 25 - 29 ноября 2013 г. - С. 39.

А27. Влияние пространственного расположения 6-слоя Si на оптоэлектронные свойства гетеронаноструктур с квантовой ямой InGaAs/GaAs / Н. С. Волкова, С. В. Тихов, А. П. Горшков, Н. В. Байдусь, А. А. Бирюков, В. Е. Дегтярев // Нанофизика и наноэлектроника. XVIII Международный симпозиум, Нижний Новгород: ИФМ РАН, 10-14 марта 2014 г. -Т. 2.-С. 421-122.

Список цитированной литературы

1. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры. Обзор /

H. Н. Леденцов, В. М. Устинов, В. А. Щукин и др. // ФТП. - 1998. - Т. 32, вып. 4. - С. 385- | 410.

2. Карпович, И.А. Диагностика гетероструктур с квантовыми ямами методом спектроскопии конденсаторной фотоэдс / И. А. Карпович, Д. О. Филатов // ФТП. - 1996. - Т. 30, вып. 10. -С. 1745-1755.

3. Photocurrent spectroscopy of InAs/GaAs self-assembled quantum dots / P. W. Fry,

I. E. Itskevich, S. R. Parnell et al. // Phys. Rev. B. - 2000. - Vol. 62, N. 24. - P. 16784-16791.

4. Hole and electron emission from InAs quantum dots / С. M. A. Kapteyn, M. Lion, R. Heitz et al. // Appl. Phys. Lett. - 2000. - Vol. 76, № 12. - P. 1573-1575.

5. Эмиссия электронов из многослойных ансамблей вертикально связанных квантовых точек InAs в матрице n-GaAs / А. А. Гуткин, П. Н. Брунков, А. Ю. Егоров и др. // ФТП. - 2008. -Т. 42, вып. 9. - С.1122-1125.

6. Steady-state carrier escape from single quantum wells / J. Nelson, M. Paxman, K. W. J. Bamham et al. // IEEE J. Quantum Electron. - 1993. - Vol. 29, N. 6. - P. 1460-1468.

7. Король, Э. H. Ионизация примесных состояний в полупроводниках электрическим полем / Э. Н. Король // ФТТ. - 1977. - Т. 19, № 8. - С. 1266-1272.

8. Tunneling carrier escape from InAs self-assembled quantum dots / J. Ibänez, R. Leon, D. T. Vu et al. // Appl Phys. Lett.-2001. - Vol. 79, N. 13.-P. 2013-2015.

9. Kapteyn, C. Carrier emission and electronic properties of self-organized semiconductor quantum dots. Dissertation, Mensch & Buch Verlag, Berlin, 2001. - 156 p. [Technische Universität Berlin],

10. Управление энергетическим спектром квантовых точек InAs/GaAs изменением толщины и состава тонкого двойного покровного слоя GaAs/InGaAs / И.А. Карпович, Б. Н. Звонков, С. Б. Левичев и др. // ФТП. - 2004. - Т. 38, вып. 4. - С. 448^54.

11. Здоровейщев, A.B. Диагностика распределения массива квантовых точек InAs/GaAs по высотам путем обработки тетрахлоридом углерода в условиях газофазной эпитаксии / А. В. Здоровейщев, П. Б. Демина, И. А. Карпович // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2011. - № 1. - С. 62-65.

12. Взаимодействие арсенида галлия с ионизирующим излучением и проблемы радиационной стойкости арсенидогаллиевых приборов / А. В. Бобыль, Р. В. Конакова, В. К. Кононов и др. // Электронная техника. Сер. Управление качеством. - 1992- Вып. 4(151) - 5(152). -С. 31^0.

Подписано в печать 25.12.2014 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1. Заказ № 771. Тираж 100 экз.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 603000, г. Нижний Новгород, ул. Б. Покровская, 37