Исследование полупроводниковых наногетероструктур методами токовой релаксационной спектроскопии, атомно-силовой микроскопии и спектроскопии НЧ-шумов

Рыбин, Николай Борисович

Исследование полупроводниковых наногетероструктур методами токовой релаксационной спектроскопии, атомно-силовой микроскопии и спектроскопии НЧ-шумов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Рыбин, Николай Борисович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Рязань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование полупроводниковых наногетероструктур методами токовой релаксационной спектроскопии, атомно-силовой микроскопии и спектроскопии НЧ-шумов»

Автореферат диссертации на тему "Исследование полупроводниковых наногетероструктур методами токовой релаксационной спектроскопии, атомно-силовой микроскопии и спектроскопии НЧ-шумов"

005003225

Рыбин Николай Борисович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР

МЕТОДАМИ ТОКОВОЙ РЕЛАКСАЦИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ, АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ И СПЕКТРОСКОПИИ НЧ-ШУМОВ

01.04.10 - Физика полупроводников

- 1 ДЕК 2011

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Рязань 2011

005003225

Работа выполнена на кафедре биомедицинской и полупроводниковой электроники ФГБОУ ВПО "Рязанский государственный радиотехнический университет"

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор

Вихров Сергей Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Андреев Владимир Викторович

кандидат физико-математических наук Здоровейщев Антон Владимирович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова (г. Москва)

Защита диссертации состоится " 20 " декабря 2011 года в 12°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.211.03 в ФГБОУ ВПО "Рязанский государственный радиотехнический университет" по адресу: 390005, г. Рязань, ул. Гагарина, 59/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан " /?■" ноября 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.т.н., проф. Колотилин Б.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

В последние десятилетия наблюдается интенсивное развитие полупроводниковых нанотехнологий, Наноразмерные структуры нашли широкое практическое применение в качестве активной области для лазерных излучателей, оптических усилителей, модуляторов светового излучения, устройств памяти и др.

Функционирование приборов наноэлектроники, активной областью которых являются полупроводниковые гетероструктуры, содержащие квантовые ямы (КЯ) и квантовые точки (КТ), основано на сложных физических явлениях, связанных с размерным квантованием носителей заряда и статистической природой распределения геометрических размеров нано-объектов. Для изучения свойств таких структур требуются использование новейших разработок в области измерительного и диагностического оборудования, а также совершенствование экспериментальных методик и соответствующего математического аппарата для обработки и интерпретации результатов измерений.

Широкое распространение получили методы визуализации нанообъ-ектов с использованием электронной, сканирующей зондовой микроскопии [1]. Однако важнейшими параметрами наноструктур являются: распределение концентрации легирующей примеси и основных носителей заряда, положение энергетических уровней размерного квантования, качество гетерограниц, величины разрывов разрешенных энергетических зон на гетерогранице. Для исследования глубоких уровней в полупроводниковых барьерных микро- и наноструктурах широко применяются электрические методы, такие как спектроскопия адмиттанса, вольт-фарадных характеристик [2], релаксационная спектроскопия глубоких уровней (РСГУ) [3], спектроскопия низкочастотных (НЧ) шумов [4].

К недостаткам метода спектроскопии адмиттанса следует отнести меньшую по сравнению с РСГУ чувствительность по концентрации ГУ и большую погрешность определения энергии ионизации ГУ из-за необходимости проведения в ряде случаев модельных расчетов [5, 6]. Спектроскопия НЧ-шумов на сегодняшний день имеет достаточно ограниченное применение для исследования полупроводниковых наноструктур из-за сложностей проведения эксперимента [7]. Кроме этого, отсутствует теория, позволяющая из спектров НЧ-шумов получить данные о концентрации дефектов с ГУ. Однако спектроскопия НЧ-шумов имеет ряд преимуществ, например не требует использования образцов с обязательным наличием барьерного контакта. В связи с этим развитие метода спектроскопии НЧ-шума для исследования полупроводниковых наноструктур является актуальной задачей.

Наиболее предпочтительным среди перечисленных методов следует считать метод РСГУ. Достоинствами РСГУ-метода являются высокая чув-

ствительность ^ по концентрации глубоких энергетических уровней N, (N/N„ =10 ...10", где Nm - концентрация мелкой легирующей примеси), возможность независимого определения энергии ионизации глубокого уровня (ГУ) и сечения захвата (СЗ) носителей заряда (НЗ), высокая разрешающая способность по энергии ионизации ГУ, наглядность измерения и обработки спектров [8]. Токовый вариант РСГУ (ТРСГУ) обладает большей чувствительностью по концентрации дефектов с ГУ по сравнению с традиционным - емкостным вариантом РСГУ. Кроме того, метод РСГУ, в котором изучается температурная зависимость релаксации емкости барьерной структуры, не пригоден для исследования высокоомных полупроводниковых барьерных структур.

Однако все перечисленные известные электрические методы исследования наноструктур рассчитаны на изучение образцов с макроконтактами, т.е. позволяют получать информацию, усредненную по области наблюдения, определяемую площадью барьерного или омического контакта, которая значительно превышает характерные латеральные масштабы в наноструктуре - размеры квантовых точек, протяженность неоднородностей толщины и областей с различным составом твердого раствора материала квантовой ямы и т.д.

По мере развития наноэлектроники появилась необходимость исследования энергетического спектра электронных состояний в отдельных на-нообъектах или их небольших группах. Для обнаружения нанообъекта или соответствующей малой области для исследования и формирования контакта можно использовать атомно-силовой микроскоп (АСМ) и его проводящий зонд, который можно подключить к РСГУ-спектрометру. Разработка физических основ такого метода исследования, основанного на совместном использовании техники АСМ и РСГУ, является актуальной задачей. Релаксационная спектроскопия совместно с атомно-силовой микроскопией позволит определять основные электронные свойства полупроводниковых наногетероструктур, а именно: энергии активации процессов эмиссии и захвата носителей заряда на основные уровни размерного квантования, величины разрывов разрешенных энергетических зон на гетерограницах, макро- и микронеоднородности распределения указанных величин и т.д.

Полупроводники на основе соединений А2В6 относятся к одним из основных материалов для оптоэлектронных применений и наноэлектроники [9, 10]. Однако до сих пор для ряда гетероструктур на основе селенидов, сульфидов цинка, кадмия, магния с квантовыми ямами и точками отсутствуют надежные данные об особенностях зонных диаграмм, а именно о величинах разрывов валентной зоны и зоны проводимости. Изучение электрофизических свойств указанных структур также является актуальной задачей микро- и наноэлектроники.

Цель диссертационной работы - исследование электрофизических свойств полупроводниковых наногетероструктур с квантовыми ямами и квантовыми точками с учетом квантово-размерных эффектов и развитие методов диагностики на основе токовой релаксационной спектроскопии, атомно-силовой микроскопии и спектроскопии НЧ-шумов.

Основные задачи

1. Анализ существующих методов исследования энергетического спектра электронных состояний в полупроводниковых микро- и наноструктурах.

2. Вывод основных математических соотношений, учитывающих конфигурацию барьерного контакта и исследуемой полупроводниковой микро- или наноструктуры, для метода исследования энергетического спектра электронных состояний в полупроводниковых наногетерострукту-рах, основанного на совместном использовании токовой релаксационной спектроскопии и атомно-силовой микроскопии (АСМ).

3. Исследование энергетического спектра электронных состояний в полупроводниковых наноструктурах с квантовыми точками, величин разрывов разрешенных энергетических зон в наноструктурах с квантовой ямой, изучение распределения этих величин вдоль поверхности образцов, параллельной слою, образующему квантовую яму, при формировании точечного барьерного контакта с размерами <100 нм с помощью метода, основанного на совместном использовании ТРСГУ и АСМ.

4. Изучение величин разрывов разрешенных энергетических зон в полупроводниковых наногетероструктурах с квантовой ямой методом спектроскопии НЧ-шумов.

Основными объектами исследований являлись полупроводниковые гетероструктуры с квантовыми ямами (КЯ) на основе систем 1п-GaAs/GaAs, ZnCdS/ZnSSe и гетероструктуры с квантовыми точками (КТ) на основе системы CdSe/ZnSe, выращенные либо методом эпитаксии из молекулярных пучков (МПЭ), либо методом парофазной эпитаксии из ме-таллорганических соединений (ПФЭМОС).

Научная новизна представленных в работе результатов заключается в следующем:

1. Впервые предложен способ исследования энергетического спектра электронных состояний в полупроводниковых наногетероструктурах, а именно в их областях, размеры которых находятся в нанометровом диапазоне, основанный на изучении температурной зависимости релаксации электрического тока через структуру при совместном использовании токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней и атомно-силовой микроскопии.

тические соотношения описывают релаксацию тока в структурах с квантовыми ямами или квантовыми точками.

3. Экспериментально определена энергия активации процесса эмиссии электронов из квантовых точек в структуре CdSe/ZnSe по температурной зависимости релаксации тока через структуру с помощью метода, основанного на совместном использовании ТРСГУ и АСМ.

4. Впервые экспериментально обнаружена флуктуация величины разрыва зоны проводимости вдоль слоя, образующего квантовую яму в ге-тероструктуре Zn0.4Cd0.6S/ZnS0.06Se0.94, с помощью совместного использования токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней и атомно-силовой микроскопии (локальной токовой релаксационной спектроскопии).

5. Впервые определена энергия активации процесса эмиссии носителей заряда с основного уровня размерного квантования методом спектроскопии НЧ-шумов и рассчитана величина разрыва зоны проводимости в гетероструктуре Ino.22Gao.7sAs/GaAs.

Положения и результаты, выносимые на защиту

1. Математические соотношения, учитывающие конфигурацию барьерного контакта и исследуемой полупроводниковой микро- или наноструктуры, в комбинированном методе токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней и атомно-силовой микроскопии.

2. Способ локального измерения энергетического спектра электронных состояний, основанный на совместном использовании токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней и атомно-силовой микроскопии, который позволяет определять распределение величины энергии активации носителей заряда по поверхности образца.

3. Результаты измерения разрыва зоны проводимости в структуре In022Ga0 TgAs/GaAs с квантовой ямой, полученные методом спектроскопии НЧ -шумов с учетом эффектов Пула - Френкеля и туннелирования.

Достоверность научных результатов работы обеспечивается использованием общепринятого математического аппарата физики полупроводников и подтверждается совпадением с результатами исследований, полученных независимыми методами: фото- и катодолюминесценции (KJ1), токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней, спектроскопии НЧ-шумов.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- развиты методы РСГУ и АСМ, углублены существующие представления о физических процессах, происходящих в полупроводниковых наногетероструктурах, перспективных для применения в опто- и наноэлек-тронике;

- разработан способ локального исследования энергетического спектра электронных состояний в полупроводниковых наногетероструктурах и объектах, имеющих размеры нанометрового диапазона, который позволяет

определять основные параметры их зонных диаграмм или электронного спектра;

- разработан способ расчета величин разрывов разрешенных зон в структурах с квантовыми ямами по спектру релаксационной спектроскопии глубоких уровней, учитывающий эффект туннелирования носителей заряда сквозь потенциальный барьер треугольной формы;

- экспериментально определены величины разрывов разрешенных зон в наногетероструктурах Ino.22Gao.7sAs/GaAs, Zno.4Cdo.6S/ZnSo.o6Seo,94 с квантовыми ямами и значения энергии активации электронов с основного уровня размерного квантования в квантовой точке в структурах CdSe/ZnSe.

Апробация. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XII международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (г. Алушта, 2008), X, XI, XII международных конференциях «Опто-, наноэлек-троника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2008, 2009, 2010), III международной конференции «Физика электронных материалов -ФИЭМ'08» (г. Калуга, 2008), VII международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (г. Санкт-Петербург, 2010), I и II Всероссийских школах-семинарах студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия» (г. Москва, г. Калуга; 2008, 2009), I и III Всероссийских школах-семинарах студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы» (г. Рязань, 2008, 2010), Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Диагностика наноматериалов и наноструктур» (г. Рязань, 2011), 14,h and 15й1 International Conference on II-VI Compounds (г. Санкт - Петербург, 2009; Cancun, Mexico, 2011).

Публикации. Основные результаты опубликованы в 36 научных работах, из них 6 статей (по специальности) в журналах из списка ВАК, 1 статья в зарубежном журнале, 6 статей в других изданиях, 21 тезис докладов на российских и международных конференциях, 1 патент, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 105 наименований. Диссертация изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц и 61 рисунок.

Внедрение результатов

Полученные экспериментальные результаты использованы при подготовке отчетов о научно-исследовательских работах НИР13-09Г, 26-09; в учебном процессе: в лекционных материалах по дисциплине «Методы исследования материалов и структур электроники».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертации, отражены новизна и практическая значимость работы, представлена структура диссертации.

В первой главе рассматриваются основные параметры дефектов с глубокими уровнями в полупроводниках, а также методы исследования энергетического спектра носителей заряда и дефектов в полупроводниковых микро- и наногетероструктурах. Описаны физические основы методов вольт-фарадных характеристик, спектроскопии адмиттанса, релаксационной спектроскопии глубоких уровней, в том числе с преобразованием Лапласа, спектроскопии низкочастотного шума. Все эти методы ранее применялись для изучения макрообразцов, когда площадь контакта значительно превышала размеры нанообъектов. При этом полученные результаты усредняются по всей площади контакта, и разброс в значениях исследуемых параметров в нанометровом диапазоне не учитывается.

Проведено сравнение этих методов по таким параметрам, как чувствительность по концентрации детектируемых дефектов с глубокими уровнями, разрешающая способность по энергии ионизации и т.п. Выделен метод токовой РСГУ, обладающий высокой чувствительностью по концентрации ГУ. Токовая РСГУ менее требовательна к конфигурации образцов, чем методы исследования, основанные на измерении емкости образцов и требующие наличия покровного слоя определенной толщины при заданном уровне легирования.

Вторая глава посвящена разработке физических основ метода исследования электронных состояний в полупроводниковых наногетероструктурах, основанного на совместном использовании ТРСГУ и АСМ. Обоснован выбор методов ТРСГУ с преобразованием Лапласа и АСМ. Зонд АСМ, покрытый металлической пленкой, формирует точечный барьерный контакт к образцу, имеющий размеры в несколько десятков - сотен нанометров. Это позволяет получать информацию об энергетическом спектре дефектов с глубокими уровнями, электронных состояний в областях, соизмеримых с размерами острия зонда. В АСМ возможно подключение РСГУ-спектрометра непосредственно к проводящему зонду, а также изменение температуры образца, что позволяет исследовать температурную зависимость релаксационных процессов в образце. Использование ТРСГУ с преобразованием Лапласа за счет большого количества усреднений переходных процессов позволяет снизить влияние шумов на результаты измерения энергии ионизации ГУ.

Для правильного выбора режимов измерения и количественного анализа спектров ТРСГУ получены соотношения, описывающие релаксацию тока через точечный барьерный контакт (рис. 1). Для находжения распределения потенциала решено уравнение Пуассона в сферических координа-

тах (1) для случая равномерного распределения концентрации свободных электронов в полупроводнике п-типа [11]:

Г2 с1г V & ) £■£■„

(1)

где е - элементарный заряд, е0 - абсолютная диэлектрическая постоянная вакуума, е - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, N - концентрация мелких доноров, <р - потенциал, г - расстояние от точечного контакта.

Интегрирование уравнения (I) с граничными условиями

<р(Я) = О,

чонд

Ф) = <ртах >

с1(р

с1г

(Л) = 0,

где Я - граница области пространственного заряда (ОПЗ), приводит к выражению:

Рисунок 1 - Схематическое изображение точечного барьерного контакта (штриховой линией показан край ОПЗ)

(р{г) = -

еКг'

еШ еЖ1 --+ •

3 ££0Г

б££0 3££0Г 2££0 ' ^ Уравнение (2) описывает зависимость потенциала в ОПЗ толщиной Л от ко-

ординаты г (рис. 2).

о(г), В

Рисунок 2 - Зависимость потенциала от координаты в ОПЗ для макро- (пунктирная линия) и точечного контакта (сплошная линия)

На рис. 2 изображена рассчитанная зависимость потенциала в ОПЗ полупроводника для точечного барьерного и плоского барьерного контакта. Расчет производился для контакта Шоттки с высотой потенциального барьера 0,6 эВ, уровнем легирования полупроводника N = 1015 см"3. Таким

образом, видно, что в случае точечного контакта потенциал более резко уменьшается с увеличением расстояния от контакта.

При подаче на структуру, содержащую слой КЯ или КТ, заполняющих и опустошающих импульсов напряжения край ОПЗ (в виде полусферы) будет перемещаться в пределах расстояний от г, до г2 соответственно (рис. 3). При этом область КЯ, в которой будет осуществляться перезарядка энергетического уровня в КЯ, будет иметь кольцеобразную форму (заштрихованная область на рис. 3), что необходимо учитывать при расчете концентрации НЗ, участвующих в перезарядке КЯ.

Покровный СЛОЙ 1 \ Г- / . 1 1 \ \ 1 /'

К« Ък /}ж

б/фериьй спой

Рисунок 3 - Структура с КЯ и точечным барьерным контактом в разрезе

На рис. 3 величины г, и г2 соответствуют положению края ОПЗ при разных напряжениях на структуре.

Ток релаксации при перезарядке ГУ в структуре с точечным барьерным контактом определяется как:

./ \ 2 ж- еЫ, 1Ч) =-L

ехР|-г1 (3)

3 4 г2

где г2 и г, - толщина ОПЗ при действии опустошающего и заполняющего импульсов напряжения соответственно, Л - расстояние от края ОПЗ в полупроводнике до места пересечения квазиуровня Ферми с глубоким уровнем Е„ И,- концентрация НЗ, покидающих глубокий уровень в результате термической эмиссии, т - время релаксации, определяемое энергией ионизации ГУ, / - время. Сомножитель в квадратных скобках пропорционален объему полупроводника, в котором происходит перезарядка глубокого уровня.

При наличии в базе точечного диода квантовой ямы, как на рис. 3, в перезарядке участвует только заштрихованная область КЯ, поэтому ток релаксации определяется выражением:

ттеЫ С \

«'(О = Ыг2 -1 )(5(г2 + ^-4™- 8й)]ехр - ), (4)

где - концентрация носителей заряда в КЯ в соответствующей минизо-не размерного квантования, - толщина слоя, образующего КЯ, к - толщина покровного слоя.

Таким образом, получены соотношения, описывающие процесс релаксации тока в точечной барьерной структуре. Разработана схема экспе-

риментальной установки на базе ТРСГУ-спектрометра и атомно-силового микроскопа для проведения исследований температурной зависимости релаксации тока в точечных барьерных структурах, в которых барьерный контакт формируется зондом АСМ.

В третьей главе представлены результаты исследования энергетического спектра электронов в нанометровой области на структурах Zno.4Cd0i6S/ZnSo.o6Seo.94 с КЯ и CdSe/ZnSe с КТ.

Образцы исследовались методами катодолюминесценции, токовой РСГУ и токовой РСГУ с преобразованием Лапласа (ЛТРСГУ) совместно с АСМ. В результате апробации метода ЛТРСГУ совместно с АСМ были исследованы процессы релаксации тока в образцах (рис. 4) при нескольких фиксированных температурах.

Рисунок 4 - Сигналы релаксации тока через образец С<18е/гп8е с КТ для двух температур: 1 - 295 К, 2 - 320 К

По ЛТРСГУ-спектрам определялись скорости эмиссии носителей заряда при разных температурах (рис. 5).

-т^и.ч; ;

II ;

Рисунок 5 - ЛТРСГУ-спектр образца СёБе/гпЗе с КТ

По температурным зависимостям скоростей эмиссии были рассчитаны энергии активации, которые составляли 220±20 и 620±20 мэВ. Значения энергий совпадали с результатами КЛ- и ТРСГУ-измерений. Контрольные измерения ТРСГУ-спектров на образце с буферным слоем гпБе не показали наличие переходного процесса с постоянной времени релаксации, соответствующей энергии 620 мэВ. Это позволило сделать вывод, что обнару-

женный релаксационный процесс в образце с КТ обусловлен эмиссией электронов из КТ.

ЛТРСГУ -спектры были получены для образца Zno.4Cdo gS/ZnSo^Seo 94 с КЯ. Энергии активации процесса эмиссии электронов из КЯ составили Еа = 340±20 мэВ в центре образца и 380±20 мэВ на краю. При исследовании контрольного образца только с буферным слоем ZnSo об^ео 94 при тех же условиях измерения такого пика на ЛТРСГУ-спектре не обнаружено. Величина Еа коррелирует с данными, полученными из спектров КЛ и ТРСГУ.

В предположении о прямоугольном профиле КЯ и в приближении эффективной массы электронов т„ = 0,2-тп была рассчитана энергия основного уровня размерного квантования электронов в КЯ Ее] = 45 мэВ. Разрыв зоны проводимости рассчитан как ЛЕс=Е,+ AEF_P + Ее1, где АЕр.р = 6 мэВ - понижение потенциального барьера для электронов, возникающее из-за изгиба зон под действием электрического поля, равного 2'10 В/см. В центральной части образца разрыв зоны проводимости составил АЕс = 391 ±20 мэВ, а на краю АЕС = 431 ±20 мэВ. Флуктуация величины разрыва зоны проводимости составила 40 мэВ.

Таким образом, в работе были выполнены локальные измерения энергий активации процесса эмиссии НЗ из КТ в наноструктуре CdS/ZnSe, разрыва зоны проводимости в наноструктуре ZnCdS/ZnSSe с одиночной КЯ. Впервые продемонстрирована эффективность использования метода ЛТРСГУ совместно с техникой АСМ для изучения процессов эмиссии НЗ в полупроводниковых наноструктурах.

В четвертой главе представлены результаты измерения энергии активации эмиссии НЗ из КЯ с помощью метода спектроскопии НЧ-шумов. В работе исследовалась диодная структура Ino.22Gao.7aAs/GaAs с КЯ. Гетерострук-туры InGaAs/GaAs перспективны для применения в качестве активной области полупроводниковых лазеров, излучающих в ИК области спектра, что делает их привлекательными для использования в различного рода датчиках. Кроме того, технология выращивания таких структур методом МПЭ достаточно хорошо отработана. Исследованная структура обладала низкой концентрацией дефектов, что позволило использовать ее для апробации метода спектроскопии НЧ-шумов и интерпретации полученных результатов.

Для проверки результатов, полученных методом спектроскопии НЧ-шумов, образец исследовался методами фотолюминесценции и ТРСГУ. Выбор напряжений, при которых производились измерения, осуществлялся на основе данных, полученных из измерения C-V-характеристик.

Зависимости спектральной плотности мощности (С ГОЛ) НЧ-шума от частоты/ полученные экспериментально, представлены на рис. 6. Резкое изменение зависимости СПМ наблюдается для частот выше 400 Гц. С использованием этого значения частоты из выражения (5) вычислялась энергия активации носителей заряда ДЕ, [12]:

АЕ, =кТЦ

где- частота излома на частотной зависимости СПМ НЧ шума, т„,- время максвелловской релаксации в электронейтральной области образца.

5. В'.-'Гц

ю ш' ю1 10 ' ю-'

100

1000 £ Гц

Рисунок 6 - Зависимости СПМ от частоты при двух напряжениях смещения для структуры, содержащей квантовые ямы; кривая 1 - напряжение смещения -2,5 В, кривая 2 - -2 В

Вычисленная величина /ь = 453 Гц позволила получить значение энергии ионизации АЕ,= 96 + 5 мэВ.

Для определения величины разрыва зоны проводимости рассчитано положение основного уровня размерного квантования в предположении прямоугольной КЯ, а также учтено понижение потенциального барьера для электронов вследствие эффектов Пула - Френкеля и туннелировакия, проявляющихся при подаче обратного напряжения на структуру. Понижение потенциального барьера происходит под действием электрического поля напряженностью около 103 В/см.

Положение основного уровня размерного квантования составило 52 мэВ от дна КЯ. Понижение высоты потенциального барьера для электронов АЕ^р (рис. 7, а), возникающего из-за эффекта Пула - Френкеля, в образце при выбранном обратном напряжении = -2,5 В составило АЕр.р - 29 мэВ.

Л Ь+х,

а б

Рисунок 7 - Положение края зоны проводимости в образце с квантовой ямой в слое ОПЗ (а); участок дна зоны проводимости вблизи КЯ (б)

- Графические 1ГлЧч»а<-Ию правоП ч.ют уравнения

*"»—«• Гряфглк-ГЛ'Р« тоОрЛДОШк- ЧгВЛЛ Ч.1СТН \'|>РЫ№1ПМ

Рисунок 8 - Графическое изображение левой и правой части уравнения (6)

Для учета эффекта туннелирования определялась высота потенциального барьера, на которой он становится туннельно-прозрачным для 50 % электронов (рис 7, б). Для этого решалось следующее уравнение:

(б)

где В - коэффициент прозрачности потенциального барьера, й - редуцированная постоянная Планка, N - концентрация легирующей примеси, т'п -эффективная масса электрона, с1„ - толщина ОПЗ, е - заряд электрона, Д, -коэффициент, принимаемый в расчетах равным 1.

На рис. 8 представлено графическое решение уравнения (6) для исследуемого образца. Из рис. 8 видно, что сквозь верхнюю часть потенциального барьера высотой Д = 10 мэВ туннелируют 50 % электронов, возбужденных с уровня Е/° (рис. 7). Таким образом, разрыв зоны проводимости с учетом положения уровня размерного квантования и понижения потенциального барьера составил АЕС= 187+5 мэВ.

Совпадение величины энергии активации электронов из КЯ с величиной, полученной методом ТРСГУ (Д£, = 93 + 10 мэВ), подтверждает достоверность результатов, получаемых методом спектроскопии НЧ-шумов.

В заключении сформулированы основные выводы.

Основные выводы

1. Получены математические соотношения, учитывающие конфигурацию барьерного контакта и исследуемой полупроводниковой микро- или наноструктуры, для метода локальной токовой релаксационной спектроскопии полупроводниковых микро- и наноструктур, основанного на совместном использовании ТРСГУ и АСМ. Математические соотношения

описывают релаксацию тока через точечный барьерный контакт полупроводниковой структуры, для формирования которого используется зонд атомно-силового микроскопа.

2. Разработан способ локального измерения энергетического спектра электронных состояний, основанный на совместном использовании токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней и атомно-силовой микроскопии, который позволяет по температурной зависимости релаксации тока исследовать энергетический спектр электронных состояний в областях микро- и наноструктур, размеры которых определяются радиусом закругления зонда АСМ. Получен патент на способ исследования энергетического спектра электронных состояний и устройство для его осуществления № 2415389.

3. Апробирован метод локальной токовой релаксационной спектроскопии. В структуре CdSe/ZnSe с квантовыми точками по температурной зависимости релаксации тока через структуру экспериментально определена энергия активации процесса эмиссии электронов из квантовых точек. Значение энергии активации в пределах погрешности совпадает со значением, полученным методом ТРСГУ.

4. Разработан способ нахождения распределения величины энергии активации носителей заряда по поверхности исследуемой полупроводниковой микро- или наноструктуры, основанный на совместном использовании токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней и атомно-силовой микроскопии. В структуре Zno.4Cdo.6S/ZnSo.06Seo.94 с квантовой ямой измерены величины разрыва зоны проводимости в разных точках поверхности образца размерами 5x5 мм. Величина разрыва зоны проводимости изменялась от 391 до 431 мэВ. Использование данного метода позволяет оценивать качество гетероструктур.

5. Впервые методом спектроскопии НЧ-шумов определена величина энергии активации электронов с основного уровня размерного квантования в структуре Ino.22Gao.7gAs/GaAs с квантовой ямой. Но энергии активации электронов рассчитана величина разрыва зоны проводимости для структуры Ino.22C1ao.7sAs/GaAs, которая составила 187+5 мэВ.

6. Получены соотношения для расчета величины разрыва разрешенной зоны в структуре с квантовой ямой по спектру релаксационной спектроскопии глубоких уровней или спектру НЧ-шумов, учитывающие эффект туннелирования носителей заряда сквозь потенциальный барьер треугольной формы и эффекта Пула - Френкеля. Данный эффект начинает сказываться на результатах расчета разрыва разрешенной зоны при увеличении напряженности электрического поля свыше 104 В/см. Так, например, в структуре Ino.22Gao.7gAs/GaAs с квантовой ямой и уровнем легирования 3-10 6 см"3 величина разрыва зоны проводимости, вычисленная с учетом эффекта туннелирования, составляет 187 мэВ, а без учета туннелирования - 177 мэВ; Таким образом, понижение потенциального барьера для эмис-

сии носителей заряда из квантовой ямы за счет туннелирования электронов составляет 10 мэВ.

Список основных публикаций

1. Литвинов В.Г., Милованова O.A., Рыбин Н.Б. Электрофизические свойства квантово-размерных структур на основе селенидов, сульфидов цинка, кадмия, магния // Приложение к журналу «Вестник РГРТУ». 2009. № 4. Вып.30. С. 39-46.

2. Литвинов В.Г., Гудзев В.В., Милованова O.A., Рыбин Н.Б. Релаксационная спектроскопия глубоких уровней микро- и наноструктур // Вестник РГРТУ 2009. № 4. Вып. 30. С. 62-70.

3. Vladimir Litvinov, Vladimir Kozlovsky, Denis Sannikov, Dmitry Sviridov, Oksana Milovanova, and Nikolay Rybin. Local measurement of conduction band offset for ZnCdS/ZnSSe nanostructure by Laplace current DLTS cooperated with AFM technique//Phys. Status Solidi C, No. 6. 1536-1538(2010).

4. Литвинов В.Г., Гудзев B.B., Милованова O.A., Рыбин Н.Б. Релаксационная спектроскопия глубоких уровней и ее применение для исследования полупроводниковых струюур микро- и наноэлекгроники //Датчики и системы. № 9.2009. С.71-78.

5. Литвинов В.Г., Милованова O.A., Рыбин Н.Б. Определение концентрации носителей заряда в слаболегированных квантово-размерных структурах с зонной диаграммой второго типа // Вестник РГРТУ 2011. №2. Вып. 36. С. 75-81.

6. Гришанкина Н.В., Литвинов В.Г., Гудзев В.В., Рыбин Н.Б. Исследование диодных структур на основе Si и a-Si:H методом токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней в режимах эмиссии и захвата // Вестник РГРТУ 2011. №3. Вып. 37. С. 72-80.

7. Литвинов В.Г., Козловский В.И., Милованова O.A., Рыбин Н.Б. Моделирование излучательных переходов в квантово-размерных структурах ZnCdS/ZnSSe с зонной диаграммой второго типа // Вестник РГРТУ 2011. №3. Вып. 37. С. 80-87.

8. Литвинов В.Г., Рыбин Н.Б., Милованова O.A. Особенности структуры Zn0.lCd0.9S/ZnSe/ZnS0.06Se0.94 с одиночной квантовой ямой // XII международная конференция «Электромеханика, элекгротехнологии, электротехнические материалы и компоненты»: тезисы докладов. Алушта, 2008. С. 86.

9. Литвинов В.Г., Вишняков Н.В., Милованова O.A., Рыбин Н.Б. Практические аспекты применения релаксационной спектроскопии глубоких уровней для характеризации полупроводниковых наноструктур // X международная конференция «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы»: тезисы докла-дов.Ульяновск, 2008. С. 207.

10. Козловский В.И., Литвинов В. Г., Рыбин Н.Б., Свиридов Д. Е., Санников Д. А. Разрывы энергетических зон в структурах ZnCdS/ZnSSe с одиночной квантовой ямой // Сб. трудов X международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы», г. Ульяновск, 2008. С. 206.

11. Литвинов В.Г., Милованова O.A., Рыбин Н.Б. Практические аспекты применения релаксационной спектроскопии глубоких уровней для измерения плотности состояний в неупорядоченных полупроводниках // Ш международная конференция «Физика электронных материалов - ФИЭМ'08»: Тезисы докладов. Калуга, 2008. С. 275-278.

12. Рыбин Н.Б. Изучение электрофизических свойств наноструктур ZnCdS/ZnSSe с одиночной квантовой ямой // Сб. трудов I Всероссийской школы-

семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинже-нерия», 10-12 декабря 2008 г., г. Москва. С. 206-208.

13. Литвинов В.Г., Козловский В.И., Милованова O.A., Рыбин Н.Б. Определение разрывов зон в ZnSe/ZnMgSSe структуре методами катодолюминесценции и релаксационной спектроскопии глубоких уровней совместно с атомно-силовой микроскопией // XI международная конференция «Опто-, наноэлектроника, нано-технологии и микросистемы»: тезисы докладов. Ульяновск, 2009. С. 210-211.

14. Litvinov V.G., Kozlovsky V.l., Sannikov D.A., Sviridov D.E., Milovanova O.A., and Rybin N.B. Local measurement of band offset for ZnCdS/ZnSSe nanostracture by Laplace current DLTS cooperated with AFM technique // 14th International Conference on II-VI Compounds «Program and abstracts». St. Petersburg. Russia. 2009. P. 153.

15. Литвинов В.Г., Гудзев В.В., Гришанкина Н.В., Рыбин Н.Б. Исследование процессов эмиссии и захвата носителей заряда в p-i-n структуре a-Si:H методом токовой DLTS // Сборник трудов VII международной конференции. «Аморфные и микрокристаллические полупроводники». 28 июня- 1 июля 2010 г. Санкт-Петербург. С 237-238.

16. Литвинов В.Г., Козловский В.И., Милованова O.A., Рыбин Н.Б. Разрывы разрешенных энергетических зон в нанострктурах ZnCdS/ZnSSe: теория и эксперимент // Труды XII международной конференции «Orrro-, наноэлектроника, на-нотехнологии и микросистемы». Ульяновск: УлГу, 2010. С. 36.

17. Литвинов В.Г., Рыбин Н.Б., Милованова O.A. C-V- профилирование ге-тероструктуры InGaAs/GaAs с тремя квантовыми ямами // Труды XII международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». Ульяновск: УлГу, 2010. С. 54.

18. Литвинов В.Г., Рыбин Н.Б. Локальное исследование энергетического спектра носителей заряда в полупроводниковых микро- и наноструктурах методами релаксационной спектроскопии и зондовой микроскопии // Сб. трудов III Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы». Т. 1. 27 сентября - 2 октября 2010 г. Рязань. С. 153-157.

19. Litvinov V.G., Kozlovsky V.l., Sadofyev Yu.G., and Rybin N.B. A local study of the energy spectrum of electrons in CdSe/ZnSe QD structures by current DLTS and AFM // 15th International Conference on II-VI Compounds «Buck of abstracts». Cancun, Mexico, 2011. P. 73.

20. Литвинов В.Г., Рыбин Н.Б. Количественный анализ спектров токовой DLTS при использовании точечного барьерного контакта // Сб. трудов Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Диагностика наноматериалов и наноструктур». Т. 3. 12 - 16 сентября 2011 г. Рязань. С. 28-31.

21. Литвинов В.Г., Рыбин Н.Б., Милованова O.A. Локальное исследование энергетического спектра электронов в наногетерострукгурах CdSe/ZnSe с квантовыми точками // Сб. трудов Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Диагностика наноматериалов и наноструктур». Т. 3. 12 -16 сентября 2011 г. Рязань. С. 127-129.

22. Кострюков С.А., Литвинов В.Г., Рыбин Н.Б. Спектроскопия НЧ-шумов в полупроводниковых наноструктурах с квантовыми ямами // Сб. трудов Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Диагностика наноматериалов и наноструктур», т.З, 12 - 16 сентября 2011 г. Рязань С. 130-132.

23. Вишняков Н.В., Литвинов В.Г., Милованова O.A., Рыбин Н.Б. Способ исследования энергетического спектра электронных состояний и устройство для его осуществления. Патент на изобретение № 2415389.

24. Мальченко С.И., Литвинов В.Г., Вишняков Н.В., Мишустин В.Г., Рыбин Н.Б. Программа для автоматизированного измерения иммитанса прибором Е7-20. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011616817.

Список цитируемой литературы

1. Binnig G., Rohrer H. Scanning tunneling microscopy // Helv. Phys. Acta. 1982. V. 55. №6. P. 726-735.

2. Берман Л.С. Емкостные методы исследования полупроводников. Л.: Наука, 1972. 104 с.

3. Lang D.V. Deep-level transient spectroscopy: A new method to characterize traps in semiconductor // J Appl. Phys. 1974. V. 45. No. 7. P. 3023-3032.

4. Букингем M. Шумы в электронных приборах и системах: пер. с англ. М.: Мир, 1986. 276 с.

5. Берман Л.С., Лебедев A.A. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках. Л.: Наука, 1981. 176 с.

6. Зубков В.И. Диагностика полупроводниковых наногетероструктур методами спектроскопии адмиттанса. СПб.: ООО «Техномедия». Изд-во «Элмор», 2007. 220 с.

7. Кострюков С.А. Влияние электрического поля на процессы формирования низкочастотного шума в барьерах Шотгки: диссертация на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук. Рязань: РГРТУ, 2007.

8. Денисов A.A., Лактюшкин В.Н., Садофьев Ю.Г. Релаксационная спектроскопия глубоких уровней // Обзоры по электронной технике. 1985. Сер. 7. Вып. 15(1141). 52 с.

9. Basov N.G., Dianov Е.М., Kozlovsky V.l. et al. // Laser Physics. 1996. V. 6. P. 608-611.

10. Dremel M., Priller H., Grün M., Klingshirn С., Kaiukauskas V. Electrical and optical properties of the CdS quantum wells of CdS/ZnSe heterostructures // J. Appl. Phys. 2003. Vol.93. P.6142-6149.

11. Тамм И.Е. Основы теории электричества. M.: Наука, 1976.

12. Орешкин П.Т. Барьерные слои как резонаторы на глубоких центрах // Известия вузов СССР. Физика. 1990. № 11.С. 21-25.

Рыбин Николай Борисович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР

МЕТОДАМИ ТОКОВОЙ РЕЛАКСАЦИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ И СПЕКТРОСКОПИИ НЧ-ШУМОВ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 15.11.2011 Формат бумаги 60x84 1/16.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 95Ц Рязанский государственный радиотехнический университет 390005, г. Рязань, ул. Гагарина, 59/1. Отпечатано с оригинал макета ООО фирма «Интермета» 390000, г. Рязань, ул. Семинарская, 5 тел./факс (4912)25-81-76

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Рыбин, Николай Борисович

Введение.

Глава 1. Анализ физических основ электрических методов исследования энергетического спектра электронных состояний в полупроводниковых микро- и наноструктурах.

1.1. Метод С- V- характеристик.

1.1.1. Физические основы метода С- V - характеристик.

1.1.2. Применение метода С-К-характеристик для исследования свойств наноструктур.

1.2. Метод температурной спектроскопии адмиттанса.

1.2.1. Физические основы комплексной проводимости полупроводников.

1.2.2. Зависимость Ст и Ст от температуры и частоты.

1.2.3. Определение величин разрывов разрешенных энергетических зон в гетеропереходе динамическими методами адмиттанса.

1.3. Релаксационная спектроскопия глубоких уровней.

1.3.1. Физические основы релаксационной спектроскопии глубоких уровней.

1.3.2. Емкостная РСГУ.

1.3.3. Токовая РСГУ.

1.3.4. Особенности применения РСГУ для изучения барьерных структур с квантовыми ямами, точками.

1.3.5. РСГУ с преобразованием Лапласа.

1.4. Метод спектроскопии НЧ-шума.

Выводы.

Глава 2. Разработка физических основ метода исследования электронных состояний в полупроводниковых наногетероструктурах.

2.1. Обоснование выбора метода локального исследования энергетического спектра электронных состояний.

2.2. Анализ распределения электрического потенциала в точечном барьерном контакте.

2.3. Разработка физической модели релаксации тока через точечный барьерный контакт.

2.4. Анализ условий проведения эксперимента.

2.5. Описание структурной схемы измерительной установки.

2.6. Погрешность определения энергии ионизации ГУ по наклону прямой Аррениуса.

Выводы.

Глава 3. Исследование процессов эмиссии носителей заряда в нанометровой области в структурах на основе 2пСс18А£п88е с КЯ и Са8е/гп8есКТ.

3.1. Обоснование выбора образцов.

3.2. Исследование образцов Сё8е/2п8е с квантовыми точками.

3.2.1. Описание образцов Сё8е^п8е с квантовыми точками.

3.2.2. Анализ спектров катодолюминесценции гетероструктур Сё8е/гп8е с КТ.

3.2.3. Спектры токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней наногетероструктур на основе Сё8е/^п8е с КТ.

3.2.4. Исследование процессов эмиссии электронов из квантовых точек в гетероструктуре Сё8е/7п8е методом локальной токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней.

3.3. Исследование наноструктур 7пчСс1|.х8/2п8>8е|.у с КЯ.

3.3.1. Описание образцов 7пхСс1|.х8/7п8у8е|.у с КЯ.

3.3.2. Анализ спектров катодолюминесценции наноструктур

Zn0.4Cd0.6S/ZnS0.06Se0.94.1 оз

3.3.3. Исследование энергетического спектра носителей заряда в гетероструктуре 2пхСс1|.х8/2п8>8е|.> методом ТРСГУ.

3.3.4. Исследование процессов эмиссии электронов из квантовой ямы в гетероструктуре ZnCdS/ZnSSe в нанометровой области.

3.3.5. Расчет положений уровней размерного квантования.

Определение разрыва зоны проводимости.

Выводы.

Глава 4. Исследование электронных состояний в полупроводниковых структурах InGaAs/GaAs с квантовыми ямами.

4.1. Обоснование выбора образца.

4.2. Описание образца InGaAs/GaAs с квантовыми ямами.

4.3. Спектры фотолюминесценции и их анализ.

4.4. Вольт-емкостное профилирование структуры InGaAs/GaAs с квантовыми ямами.

4.5. Исследование процессов эмиссии носителей заряда в структуре InGaAs/GaAs с квантовыми ямами методом токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней.

4.6. Развитие метода спектроскопии низкочастотных шумов для применения к наноструктурам.

4.6.1. Фундаментальные основы спектроскопии низкочастотных шумов в применении к наноструктурам.

4.6.2. Экспериментальные исследования структуры с квантовыми ямами методом спектроскопии низкочастотных шумов.

4.6.3. Оценка систематической погрешности определения АЕ, методом спектроскопии НЧ-шумов.

4.7. Определение величины разрыва зоны проводимости в КЯ структуры InGaAs/GaAs.

Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование полупроводниковых наногетероструктур методами токовой релаксационной спектроскопии, атомно-силовой микроскопии и спектроскопии НЧ-шумов"

В последние десятилетия наблюдается интенсивное развитие полупроводниковых нанотехнологий. Наноразмерные структуры нашли широкое практическое применение в качестве активной области для лазерных излучателей, оптических усилителей, модуляторов светового излучения, устройств памяти и др.

Функционирование приборов наноэлектроники, активной областью которых являются полупроводниковые гетероструктуры, содержащие квантовые ямы (КЯ) и квантовые точки (КТ), основано на сложных физических явлениях, связанных с размерным квантованием носителей заряда и статистической природой распределения геометрических размеров нанообъектов. Для изучения свойств таких структур требуются использование новейших разработок в области измерительного и диагностического оборудования, а также совершенствование экспериментальных методик и соответствующего математического аппарата для обработки и интерпретации результатов измерений.

Широкое распространение получили методы визуализации нанообъектов с использованием электронной, сканирующей зондовой микроскопии [1]. Однако важнейшими параметрами наноструктур являются: распределение концентрации легирующей примеси и основных носителей заряда, положение энергетических уровней размерного квантования, качество гетерограниц, величины разрывов разрешенных энергетических зон на гетерогранице. Для исследования глубоких уровней в полупроводниковых барьерных микро- и наноструктурах широко применяются электрические методы, такие как спектроскопия адмиттанса, метод вольт-фарадных характеристик [2], релаксационная спектроскопия глубоких уровней (РСГУ) [3], спектроскопия низкочастотных (НЧ) шумов [4].

К недостаткам метода спектроскопии адмиттанса следует отнести меньшую по сравнению с РСГУ чувствительность по концентрации ГУ и большую погрешность определения энергии ионизации ГУ из-за 5 необходимости проведения в ряде случаев модельных расчетов [5, 6]. Спектроскопия НЧ-шумов на сегодняшний день имеет достаточно ограниченное применение для исследования полупроводниковых наноструктур из-за сложностей проведения эксперимента [7]. Кроме этого, отсутствует математическая модель, связывающая концентрацию дефектов с ГУ с параметрами спектра НЧ-шумов. Однако спектроскопия НЧ-шумов имеет ряд преимуществ, например не требует использования образцов с обязательным наличием барьерного контакта. В связи с этим развитие метода спектроскопии НЧ-шума для исследования электрофизических свойств полупроводниковых наноструктур является актуальной задачей.

Наиболее предпочтительным среди перечисленных методов следует считать метод РСГУ. Достоинствами РСГУ-метода являются высокая чувствительность по концентрации детектируемых дефектов с глубокими уровнями ТУ, {И/Ит - 10~7 .10°, где Мт - концентрация мелкой легирующей примеси), возможность независимого определения энергии ионизации глубокого уровня (ГУ) и сечения захвата (СЗ) носителей заряда (НЗ), высокая разрешающая способность по энергии ионизации ГУ, наглядность измерений и обработки спектров [8]. Токовый вариант РСГУ (ТРСГУ) обладает большей чувствительностью по концентрации дефектов с ГУ по сравнению с традиционным - емкостным вариантом РСГУ. Кроме того, метод РСГУ, в котором изучается температурная зависимость релаксации емкости барьерной структуры, не пригоден для исследования высокоомных полупроводниковых барьерных структур [9].

Перечисленные выше известные электрические методы исследования наноструктур рассчитаны на изучение образцов с макроконтактами, т.е. позволяют получать информацию, усредненную по области наблюдения, определяемую площадью барьерного или омического контакта, которая значительно превышает характерные латеральные масштабы в наноструктуре -размеры квантовых точек, протяженность неоднородностей толщины и областей с различным составом твердого раствора материала квантовой ямы и т.д. 6

По мере развития наноэлектроники появилась необходимость исследования энергетического спектра электронных состояний в отдельных нанообъектах или их небольших группах. Для обнаружения нанообъекта или соответствующей малой области для исследования и формирования контакта можно использовать атомно-силовой микроскоп и его проводящий зонд, который можно подключить к РСГУ-спектрометру [10]. Разработка физических основ такого метода исследования, основанного на совместном использовании техники АСМ и РСГУ, является актуальной задачей. Релаксационная спектроскопия совместно с атомно-силовой микроскопией позволит определять основные электронные свойства полупроводниковых наноструктур, а именно: энергии активации процессов эмиссии и захвата носителей заряда на основные уровни размерного квантования, величины разрывов разрешенных энергетических зон на гетерограницах, макро- и микронеоднородности распределения указанных величин и т.д.

Полупроводниковые соединения А2В6 относятся к одним из основных материалов для оптоэлектронных применений и наноэлектроники [11, 12]. Однако до сих пор для ряда гетероструктур на основе селенидов, сульфидов цинка, кадмия с квантовыми ямами и точками отсутствуют надежные данные об особенностях зонных диаграмм, а именно о величинах разрывов валентной зоны и зоны проводимости. Изучение электрофизических свойств указанных структур также является актуальной задачей микро- и наноэлектроники.

Основные задачи

1. Анализ существующих методов исследования электронных состояний в полупроводниковых микро- и наноструктурах. 7

2. Вывод основных математических соотношений, учитывающих конфигурацию барьерного контакта и исследуемой полупроводниковой микро- или наноструктуры, для метода исследования энергетического спектра электронных состояний в полупроводниковых наногетероструктурах, основанного на совместном использовании токовой релаксационной спектроскопии и атомно-силовой микроскопии (АСМ).

Основными объектами исследований являлись полупроводниковые гетероструктуры с квантовыми ямами (КЯ) на основе систем InGaAs/GaAs, ZnCdS/ZnSSe и гетероструктуры с квантовыми точками (КТ) на основе системы CdSe/ZnSe, выращенные либо методом эпитаксии из молекулярных пучков (МПЭ), либо методом парофазной эпитаксии из металлорганических соединений (ПФЭМОС).

Научная новизна представленных в работе результатов заключается в следующем:

2. Получены математические соотношения, описывающие переходный процесс релаксации тока при опустошении энергетических уровней в полупроводниковой структуре с точечным барьерным контактом. Математические соотношения описывают релаксацию тока в структурах с квантовыми ямами или квантовыми точками.

4. Впервые экспериментально обнаружена флуктуация величины разрыва зоны проводимости вдоль слоя, образующего квантовую яму в гетероструктуре Zn0.4Cd0.6S/ZnS0.06Se0.94, с помощью совместного использования токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней и атомно-силовой микроскопии (локальной токовой релаксационной спектроскопии).

Положения и результаты, выносимые на защиту

1. Математические соотношения, учитывающие конфигурацию барьерного контакта и исследуемой полупроводниковой микро- или наноструктуры в комбинированном методе токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней и атомно-силовой микроскопии.

3. Результаты измерения разрыва зоны проводимости в структуре Ino.22Gao.78As/GaAs с квантовой ямой, полученные методом спектроскопии НЧ-шумов с учетом эффектов Пула - Френкеля и туннелирования.

Достоверность научных результатов работы обеспечивается использованием общепринятого математического аппарата физики полупроводников и подтверждается совпадением с результатами исследований, полученных независимыми методами: фото- и катодолюминесценции, токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней, спектроскопии НЧ-шумов.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- развиты методы РСГУ и АСМ, углублены существующие представления о физических процессах, происходящих в полупроводниковых наногетероструктурах, представляющих определенные перспективы для применения в опто- и наноэлектронике;

- разработан метод локального исследования энергетического спектра электронных состояний в полупроводниковых наногетероструктурах и объектах, имеющих размеры нанометрового диапазона, который позволяет определять основные параметры их зонных диаграмм или электронного спектра;

- экспериментально определены величины разрывов разрешенных зон в наногетероструктурах Ino.22Gao.7gAs/GaAs, Zno.4Cdo.6S/ZnSo.o6Seo.94 с квантовыми ямами и значения энергии активации электронов с основного уровня размерного квантования в квантовой точке в структурах CdSe/ZnSe.

Апробация. Основные результаты диссертационной работы

10 докладывались и обсуждались на XII международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (г. Алушта, 2008), X, XI, XII международных конференциях «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2008, 2009, 2010), III международной конференции «Физика электронных материалов - ФИЭМ'08» (г. Калуга, 2008), VII международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (г. Санкт-Петербург, 2010), I и II Всероссийских школах-семинарах студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия» (г. Москва, г. Калуга; 2008, 2009), I и III Всероссийских школах-семинарах студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы» (г. Рязань, 2008, 2010), Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Диагностика наноматериалов и наноструктур» (г. Рязань, 2011), 14th and 15th International Conference on II-VI Compounds (Санкт - Петербург, 2009; Cancun, Mexico, 2011).

Публикации. Основные результаты опубликованы в 36 научных работах, из них 6 статей (по специальности) в журналах из списка ВАК, 1 статья в зарубежном журнале, 6 статей в других изданиях, 21 тезисов докладов на российских и международных конференциях, 1 патент, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 105 наименований. Диссертация изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц и 61 рисунок.

Заключение диссертации по теме "Физика полупроводников"

Выводы

1. По спектрам фотолюминесценции определены энергии излучательных переходов в квантовых ямах и барьерных слоях структуры ТпваАз/СаАБ с тремя КЯ. Полученные результаты использованы при анализе результатов исследования методами ТРСГУ и НЧ-шумов.

2. Методом С-У-характеристик получены профили распределения концентрации электронов в исследуемых структурах. По зависимости концентрации НЗ от обратного напряжения (рис. 4.9) были выбраны режимы для исследования энергетического спектра образцов методами ТРСГУ и НЧ-шумов.

3. Методом ТРСГУ определена энергия активации процесса эмиссии электронов из квантовой ямы с содержанием 1п 22 %. Энергия активации составила 93+10 мэВ.

4. Методом спектроскопии НЧ-шумов определена величина энергии активации электронов с основного уровня размерного квантования в структуре 1п0 22Са0 78А5/СаА5 с квантовой ямой. По энергии активации электронов рассчитана величина разрыва зоны проводимости для структуры 1п022Са0 78Аз/СаА8, которая составила 187+5 мэВ.

5. Получены соотношения для расчета величины разрыва разрешенной зоны в структуре с квантовой ямой по спектру релаксационной спектроскопии глубоких уровней или спектру НЧ-шумов, учитывающие влияние эффекта туннелирования носителей заряда сквозь потенциальный барьер треугольной формы. Данный эффект начинает сказываться на результатах расчета разрыва разрешенной зоны при увеличении напряженности электрического поля и уровня легирования. Так, например, в структуре 1п0 78А5/СаА8 с квантовой ямой и уровнем легирования 3-1016 см"3 разрыв зоны проводимости с учетом туннелирования составил 187 мэВ, а без учета туннелирования - 177 мэВ. Таким образом, понижение потенциального барьера за счет туннелирования электронов составляет 10 мэВ.