М.В.Валейко, Н.А.Волчков, С.П.Гришечкина,
И.П.Казаков, О.А.Пыркова, В.Т.Трофимов,
Физический
институт им. П.Н.Лебедева РАН
(e-mail: trofunov@sci.lebedev.ru)
УПРАВЛЕНИЕ ВРЕМЕНЕМ РЕЛАКСАЦИИ ГЛУБОКИХ
СОСТОЯНИЙ В НАНОСТРУКТУРАХ GaAs/AlGaAs
|
Исследована релаксация известного глубокого состояния – EL2-центра – в наноструктурах GaAs/Al0,3Ga0,7As
и проведен анализ на основании полученных результатов распределения DC по структуре |
Обсуждение результатов
эксперимента
Модель положительной
фотопроводимости
Модель отрицательной
фотопроводимости
Введение
Обнаружен эффект сильного влияния межзонной генерации носителей на релаксацию глубоких состояний в наноструктурах GaAs/AlGaAs. Эффект проявляется в изменении времени релаксации, амплитуды и полярности сигнала примесной фотопроводимости (ФП) при относительно слабом межзонном возбуждении. В структурах с квантовыми ямами дополнительное межзонное возбуждение приводит к сильному (более чем в 103 раз) уменьшению времени релаксации глубокого состояния. В структурах GaAs с модулированным легированием межзонная генерация приводит к возникновению долговременного сигнала отрицательной фотопроводимости, время релаксации которого определяется интенсивностью межзонной генерации. Эффект объясняется частичной перезарядкой глубоких состояний с последующим переносом неравновесных носителей встроенным электрическим полем вдоль оси структуры и может быть использован для анализа распределения глубоких центров в наноструктурах GaAs/AlGaAs.
Изменение проводимости полупроводника при
фотовозбуждении несет информацию о глубоких состояниях (
). В неоднородных структурах этот процесс сопровождается пространственным
разделением возбужденного носителя и центра встроенным электрическим полем, что
приводит к изменению времени релаксации, накоплению объемного заряда и
искажению энергетической диаграммы структуры. “Идеальной” однородной системой
для изучения является квантовая
яма, в которой реализуется однородное возбуждение в области как примесного, так
и фундаментального поглощения при условии, что возбуждение не вызывает
межзонных и внутрицентровых переходов в барьерных слоях.
Анализ процесса релаксации известного в полупроводниковой
структуре с встроенным электрическим полем позволяет получить информацию о
поведении краев зон и о пространственной локализации центров. Спектральные и
кинетические измерения ФП используются для анализа структур полупроводников А3В5
[1,2].
Техника эксперимента
Для измерения ФП использовались однородно легированные
Si, Be или фоновым углеродом эпитаксиальные
слои 
- и 
-типа проводимости, а также структуры -GaAs/Al0,3 Ga0,7 As
с отдельной квантовой ямой шириной ~20 нм и -GaAs
, которые выращивались методом молекулярно-лучевой
эпитаксии на подложках 
‑GaAs.
Слоевые концентрации носителей и их подвижности составляли при 77 К для структур с
квантовой ямой и GaAs соответственно ~1012 см-2, 
см2/(В·с)
и 
см2/(В·с).
Оптическое возбуждение осуществлялось одновременно
двумя источниками: импульсным полупроводниковым лазером с 
эВ
и непрерывным излучением He-Ne лазера
(
эВ)
или кварцевой лампы с соответствующими светофильтрами. При этом фоновое
излучение полностью экранировалось. Кинетические измерения проводились в
основном при возбуждении излучением с 
эВ,
которое возбуждает только примесные переходы в GaAs и практически не возбуждает DX-центры в Al0,3 Ga0,7 As.
Экспериментальные
результаты
Характер сигнала ФП в наибольшей степени зависел от
типа проводимости структуры. На образцах типа в интервале температуры от 77 до 300 К наблюдался крайне
слабый сигнал с пороговой энергией кванта ~0,8 эВ и временем релаксации 
с,
на который CW-подсветка с 
не оказывала никакого
воздействия.
Для структур n-типа сигналы примесной
ФП при Т = 300 К имели положительную полярность
(ПФП). Порог ФП составлял ~0,8 эВ, и для ее возбуждения в основном
использовался импульсный лазер с эВ.
При повышении температуры от 323 до 410 К время релаксации уменьшается от 7·10-3 до 6·10-5 с для всех исследованных
структур и хорошо описывается уравнением 
с параметрами 
с
и 
эВ.
Включение фоновой подсветки с энергией кванта больше
ширины запрещенной зоны () приводило к уменьшению времени релаксации и амплитуды
сигнала. Даже при относительно слабой интенсивности ~1015 (см2·с)-1
это уменьшение составляло до 103 раз (рис. 1, а,б). На однородно легированных образцах
наблюдалась корреляция между амплитудой сигнала примесной ФП и интенсивностью
линии люминесценции углерода (
эВ).
|
|
|
Рис. 1. Форма сигнала фотоответа для
структуры n-GaAs/AlGaAs (а, б) |
При T=77 К характер
сигнала фотоответа сильно зависел от состава структуры. Для GaAs/Al0,3 Ga0,7 As áSiñ с квантовой ямой
картина фотоотклика по сравнению с нормальной температурой качественно не
изменялась, порог ФП составлял 
. На структурах GaAs ád-Siñ характер фотоотклика при постепенном увеличении
интенсивности CW подсветки с радикально изменялся.
Сначала наблюдался положительный сигнал ФП, затем время релаксации уменьшалось,
далее происходило изменение полярности сигнала – возникал отрицательный сигнал
ФП (ОФП) с одновременным резким увеличением времени релаксации. При дальнейшем
увеличении интенсивности подсветки время релаксации отрицательного сигнала
уменьшалось (рис. 1, в,г). Инверсия знака
сигнала ФП при достаточно интенсивной подсветке происходила при T=150 К.
Порог примесной ФП составлял ; пороговая энергия кванта CW-подсветки, приводящая к
генерации ОФП, совпадала с величиной 
для GaAs.
Обсуждение результатов
эксперимента
|
|
|
Рис. 2.
Энергетическая диаграмма |
Полученные экспериментальные результаты можно
объяснить на основе одноэлектронной модели глубоких донорных состояний в GaAs, концентрация которых равна N. Энергетическая диаграмма структуры 
GaAs/Al0,3 Ga0,7 As
с квантовой ямой приведена на рис. 2, а совместно с конфигурационной
диаграммой центра, которая описывается гамильтонианом [3]:
,
где 
– конфигурационная
координата; 
– обратный коэффициент
упругости ; 
– энергия электронного
уровня ; 
– электронная энергия
центра; 
– энергия Ферми; – число электронов, захваченных на (
).
Модель положительной
фотопроводимости
Примесная ФП в GaAs возбуждается в
результате ионизации заполненных электронами . В структуре с квантовой ямой электрон и не разделяются
пространственно, поэтому время обратного захвата электрона из зоны проводимости
на пустом определяется временем
преодоления потенциального барьера 
в конфигурационном
пространстве, которое описывается термоактивационной зависимостью
.
В материале -типа проводимости примесная ФП возбуждается в результате
возбуждения электрона на пустом из валентной зоны.
Поскольку потенциальный барьер для дырки из валентной зоны практически отсутствует,
время релаксации ФП в 
GaAs много меньше,
чем в GaAs и практически не
зависит от температуры.
Дополнительное возбуждение структуры GaAs непрерывным
излучением с приводит к генерации
электронно-дырочных пар. Неравновесные дырки захватываются на , что приводит к перезарядке части центров. Поскольку
скорость релаксации пропорциональна
концентрации пустых центров 
, это вызывает ускорение процесса релаксации ФП. В пределе
высокой скорости межзонной генерации глубокие центры полностью перезаряжаются (
), в результате чего доминирующим процессом примесной ФП становится
возбуждение электрона на из валентной зоны (
) с последующей быстрой его релаксацией.
Процесс релаксации глубоких центров в структуре -типа проводимости, которые в равновесии заполнены
электронами (
), при условиях слабого примесного фотовозбуждения (
) и интенсивной фоновой подсветки (
) описывается уравнением:
,
(1)
где 
– коэффициент
рекомбинации электрона с дыркой валентной
зоны (переход ); 
и (
) – скорости межзонной генерации и рекомбинации (переходы ).
При начальном условии 
и с учетом уравнения
электронейтральности 
зависимость
концентрации неравновесных электронов от времени имеет вид:
;
. (2)
Видно, что время релаксации уменьшается с
увеличением скорости межзонной генерации 
.
Модель отрицательной фотопроводимости
ОФП возбуждается в неоднородных вдоль оси роста структурах
с встроенным электрическим полем, например в структурах GaAs, HEMT-структурах и т.д. (рис. 2, б) при
наличии в ней пустых . Генерация ОФП происходит в результате возбуждения электрона
валентной зоны на пустом . Образовавшаяся в результате дырка рекомбинирует с
электроном в проводящем канале через контактные области структуры за время 
с, что приводит к возникновению замороженной ОФП.
Генерация дырок CW с излучением создает возможность
возврата электронов в валентную зону в промежутках между импульсами примесного
излучения и делает ОФП наблюдаемой. Таким образом, возбуждение ОФП является
индикатором наличия в глубине структуры пустых , расположенных при температуре измерения выше уровня Ферми.
Решение уравнения (1) для зависимости концентрации
неравновесных электронов от времени для структуры с пустыми () с учетом уравнения электронейтральности 
имеет вид:
. (3)
Из полученного решения видно, что релаксация неравновесных
электронов происходит в два этапа. Сначала часть электронов за время 
рекомбинирует с неравновесными дырками, в
результате концентрация электронов уменьшается (ОФП). Затем их концентрация
медленно восстанавливается за время 
, которое
определяется скоростью генерации электронно-дырочных пар фоновым излучением .
Пустые могут образовываться в
области нелегированного буфера в результате загрязнения эпитаксиальных слоев
углеродом, который в комплексе с антиструктурным дефектом GaAs создает глубокий донорный EL2-центр, а при замещении атома мышьяка является мелким
акцептором и принимает на себя электроны EL2-центра. На это указывает корреляция возрастания амплитуды ОФП
с ростом интенсивности линии люминесценции свободного углерода.
Наличие пустых является вредным
фактором для приборных структур. Например, в НЕМТ-транзисторах эти центры
захватывают разогретые сильным электрическим полем электроны, что приводит к
смещению рабочей точки прибора, а также к увеличению шумов на низких частотах.
Для оценки концентрации проведено численное
моделирование процесса ФП с учетом всех возможных оптических переходов
(рис. 2), каналов рекомбинации и релаксации. Сравнение экспериментальной и
теоретической форм сигнала и их зависимости от условий возбуждения позволяет
оценить концентрацию пустых в глубине структуры.
При этом параметром, наиболее чувствительным к концентрации , является температура возникновения отрицательного сигнала
ФП.
Таким образом, обнаружен эффект влияния межзонной генерации носителей на процесс релаксации примесной ФП в наноструктурах полупроводников А3В5. Показана принципиальная возможность определения концентрации глубоких состояний в глубине структуры путем анализа формы сигнала примесной ФП.
Список литературы
1. Pettersson H., Grimmeiss G., Powell A.L., Button C.C., Roberts J.S. and Rockett P.I. // J. Appl. Phys. 1993. V. 74. № 9. P. 5596-5601.
2. Борисов В.И., Сабликов В.А., Борисова И.В., Чмиль А.И. // ФТП, 1999. Т. 33. № 1. С. 68-74.
3. Засавицкий И.И., Мацонашвили Б.H., Панкратов О.А., Трофимов В.Т. // Письма в ЖЭТФ. 1985. Т. 42. № 1. С. 3-8.
4. Валейко М.В., Волчков H.А., Гришечкина С.П., Казаков И.П., Пыркова О.А., Трофимов В.Т. Управление временем релаксации глубоких состояний в наноструктурах GaAs/AlGaAs с модулированным легированием // Нанофотоника. Материалы совещания (20-23 марта 2000 г.). М.: Ин-т физики микроструктур РАН. 2000. С. 74-77.
Работа выполнена
при поддержке РФФИ и Министерства промышленности, науки и технологий РФ
| Наверх |