Практикум Рекомендовано методической комиссией физического факультета для студентов ннгу, обучающихся по направлению 210600 «Нанотехнология» Нижний Новгород 2009
Скачать 167.05 Kb.
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского Физический факультет Кафедра физики полупроводников и оптоэлектроники Фотопроводимость в гетеронаноструктурах с квантовыми точками InAs/GaAs Практикум Рекомендовано методической комиссией физического факультета для студентов ННГУ, обучающихся по направлению 210600 «Нанотехнология» Нижний Новгород 2009 УДК 620.22р ВВК 30.3(077) Г 70 Фотопроводимость в гетеронаноструктурах с квантовыми точками InAs/GaAs: Практикум. – Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2009. – 16 с. Составители: старший преподаватель А.П. Горшков, профессор И.А. Карпович, инженер Л.А. Истомин Кафедра физики полупроводников и оптоэлектроники физического факультета ННГУ. Рецензент: зав. лаб. НИФТИ ННГУ, к.ф.-м.н. Ю.А. Данилов. В работе описаны физические основы барьерной фотопроводимости в гетеронаноструктурах с квантовыми точками InAs/GaAs и методики измерения спектральных и люкс-амперных зависимостей фотопровдимости в таких структурах, иллюстр. – 8. Описание подготовлено при поддержке Минобрнауки РФ (проекты РНП.2.2.2.3.8001, РНП.2.2.2.2/4297) и CRDF грант BP4M01. УДК 620.22р ВВК 30.3(077) Содержание стр. Цель работы: ознакомление с методами фотоэлектрической спектроскопии гетеронаноструктур с квантовыми точками. Освоение методик измерения спектральных и люкс-амперных зависимостей фотопроводимости гетеронаноструктур с квантовыми точками InAs/GaAs. Аппаратура: монохроматор с дифракционной решеткой, автоматизированная измерительная схема с селективным усилителем и синхронным детектором, компьютер. ^ измерение спектров фотопроводимости гетеронаноструктур с квантовыми точками, определение природы наблюдаемой в эксперименте фотопроводимости. Введение В последние годы не ослабевает интерес исследователей к изучению фотоэлектрических свойств квантово-размерных гетеронаноструктур (ГНС) на основе прямозонных полупроводников А3В5, содержащих слои квантовых ям и квантовых точек (КТ). Помимо интереса к фундаментальным свойствам квантово-размерных структур ведутся и прикладные исследования, связанные с применением их в приборах опто- и наноэлектроники для создания высокоэффективных светодиодов, лазеров, фотоприемников, газовых сенсоров [1, 2], элементов памяти [3, 4], приборов спинтроники [5]. Целью данной лабораторной работы является ознакомление с методом фотоэлектрической спектроскопии, основанным на исследовании спектров барьерной фотопроводимости структур с КТ, и его применением для определения энергетического спектра КТ InAs/GaAs. Исследуются структуры с самоорганизованными КТ, выращенные методом газофазной эпитаксии. ^ В работе исследуются ГНС с КТ InAs/GaAs, выращенные в НИФТИ ННГУ методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОС) при атмосферном давлении водорода – газа-носителя паров МОС. Для исследования фотопроводимости ГНС выращиваются на полуизолирующей (s-) подложке GaAs. Схема ГНС приведена на (рис. 1). На поверхности (100) монокристаллической подложки s-GaAs при температуре 650 0C выращивается легированный оловом буферный слой n-GaAs (n ~ 1016 см-3) толщиной 0,6 мкм, затем при температуре 520 0C выращивается слой КТ InAs номинальной толщины dD 1,5 нм ( 5 монослоев). Для получения более однородных по размерам КТ в процессе осаждения слой КТ легируется висмутом. Заключительная операция выращивания – нанесение покровного слоя GaAs при 520 0C. Обычно при исследовании фотоэлектрических спектров используются структуры с относительно тонким покровным слоем GaAs 20 – 50 нм при котором слой КТ встроен в область сильного поля приповерхностного барьера, обедненного основными носителями.  Рис. 1. Схема ГНС InAs/GaAs с одиночным слоем КТ. ^ Фотопроводимостью (ФП) называется изменение проводимости полупроводника под действием электромагнитного излучения: ф = с –0, (1) где 0 и с – проводимость в темноте и при освещении соответственно. Дальше под ф мы будем иметь в виду так называемую приведенную к поверхностной фотопроводимость ф = ф(l/b), (2) где ф – изменение проводимости всего образца, l – расстояние между электродами и b – ширина планарных электродов. Величина ф имеет смысл удельной поверхностной фотопроводимости (ом-1/). В эпитаксиальных слоях полупроводников типа GaAs и ГНС на их основе кроме обычной объемной ФП, связанной с оптической генерацией неравновесных носителей в полупроводнике, необходимо учитывать и так называемую барьерную ФП (БФП). Она обусловлена пространственным разделением неравновесных электронно-дырочных пар на поверхностном и внутреннем (слой/подложка) барьерах, приводящим к изменению ширины квазинейтральной области [6]. Планарную фотопроводимость слоя на полуизолирующей подложке можно представить в виде: ф = ф0 + ф1 + ф2, (3) где ф0 – объёмная ФП, ф1 и ф2 – БФП, обусловленная изменением ширины поверхностного и внутреннего барьеров при освещении. Объемная фотопроводимость может быть записана в виде: ф0 = qKJ0(nn + pp), (4) где  – квантовый выход поглощенного излучения, K – интегральный коэффициент поглощения слоя, J0 – интенсивность падающего излучения [см-2 с-1], n и p – подвижности, n и p – времена жизни электронов и дырок соответственно. Обычно время жизни основных носителей много больше времени жизни неосновных носителей и объемная ФП носит монополярный характер.На рис. 2 показана энергетическая диаграмма эпитаксиального слоя GaAs n-типа на полуизолирующей (s-) подложке GaAs. Как известно, на свободной поверхности проводящего GaAs n- и p-типа всегда имеется хорошо выраженный обедненный слой благодаря закреплению (пиннингу) уровня Ферми на поверхности вблизи середины запрещенной зоны [7]. Высота поверхностного барьера обычно составляет около 0,6 эВ, а его ширина W1 ≈ 0,25 мкм при уровне легирования слоя GaAs ~ 1016 см-3. На границе раздела проводящего эпитаксиального слоя c s-GaAs также образуется барьер (внутренний n-s-барьер) несколько меньшей высоты, обусловленный большим различием значений концентрации носителей в этих областях. Из-за наличия глубоких уровней вблизи середины запрещенной зоны GaAs с высокой концентрацией ~1016 см3 n-s- барьер не весь находится в полуизоляторе, а значительная его часть находится в проводящем слое GaAs.  Рис. 2. Энергетическая диаграмма слоя n-GaAs на полуизоляторе, иллюстрирующая механизм БФП. Пунктиром показано изменение диаграммы при освещении. Заливкой обозначена квазинейтральная область в темноте. При освещении излучением с энергией квантов hν > Eg – ширины запрещенной зоны GaAs часть образующихся неравновесных электронно- дырочных пар разделяется в электрическом поле обоих барьеров, что приводит к понижению их высоты на величину возникшей на каждом барьере фотоэдс и уменьшению значений их ширины на величины W1 и W2 в проводящем слое. Ширина квазинейтральной области в слое увеличивается при этом на величину W1 + W2. Это приводит к возникновению БФП ф1 + ф2 = 0 (W1 + W2 ), (5) если объемная ФП ф << 0. Было установлено, что в проводящих эпитаксиальных слоях полупроводников типа GaAs и в квантово-размерных гетеронаноструктурах на их основе ФП в обычных условиях имеет барьерную природу [6], т.е. в результате изменения ширины квазинейтральной области происходит значительно большее увеличение проводимости, чем в результате непосредственного участия неравновесных носителей в проводимости (эффект фотоэлектрического усиления на барьере). При низком уровне фотовозбуждения в приближении барьера Шоттки БФП на поверхностном барьере определяется выражением [6]:  (6)где l0 – дебаевская длина экранирования, Y1 и Yф1 – высота поверхностного барьера в темноте и его изменение при освещении (фотоэдс) соответственно в единицах kT (Y1 = 1/kT, Yф1 = qVф1/kT). Выражение (6) показывает непосредственную связь БФП с фотоэдс на барьере: фотоэдс отражает изменение высоты барьера при освещении, а БФП – изменение его ширины. Зависимость Yф1 от интенсивности освещения для всех типов барьеров имеет вид:  (7) где В - некоторая константа, физический смысл и связь которой с параметрами полупроводника раскрываются в теории фотоэдс для конкретных барьеров. Подобная, близкая к логарифмической зависимость от интенсивности освещения должна наблюдаться и для ФП, что является характерным признаком БФП. Другим признаком БФП является ее зависимость от интенсивности постоянной подсветки. Для выяснения этой зависимости структуру освещают слабым модулированным монохроматическим светом с интенсивностью J0 и достаточно сильной постоянной подсветкой с интенсивностью JП >> J0. Для малосигнальной БФП, измеряемой при модулированной освещении J0 на фоне интенсивной постоянной подсветки, дифференцируя (6) с учетом (7) можно получить:  (8)где ф1 и Yф1 - значения БФП и поверхностной фотоэдс при подсветке, С(h) – коэффициент, учитывающий спектральную зависимость фотоэдс. БФП, как и фотоэдс, уменьшается при подсветке приблизительно обратно пропорционально JП. Из (8) также следует, что спектры барьерной ФП и фотоэдс должны совпадать, если они измерены на одном и том же барьере. Экспериментальные исследования, проведенные на эпитаксиальных слоях GaAs и InP и на ГНС с квантовой ямой InGaAs/GaAs, показали хорошее качественное и количественное согласие барьерной модели ФП с экспериментом. При относительно низких уровнях освещения БФП в широком диапазоне логарифмически зависит от интенсивности освещения (рис. 3) и на 2-3 порядка превышает объёмную ФП.  Рис. 3. Зависимость ФП слоя GaAs от интенсивности освещения [6]. В этом проявляется эффект фотоэлектрического усиления на барьере: изменение высоты поверхностного и внутреннего барьеров, обусловленное разделением на них неравновесных носителей, управляет шириной проводящего канала. При этом происходит значительно большее изменение продольного тока, чем в результате непосредственного участия неравновесных носителей в проводимости. На образце с низкой концентрацией основных носителей (n0 ~ 1014 см-3) при высоких интенсивностях наблюдалось отклонение от логарифмической зависимости (рис. 6), обусловленное заметным вкладом объёмной ФП, которая при J0 ~ 1018 см-2 с-1 становится примерно равной БФП [6]. Для слоёв с обычной концентрацией носителей ~ 1016 см-3 для такого равенства потребовался бы на порядок более высокий уровень фотовозбуждения. В согласии с теорией малосигнальная ФП уменьшается обратно пропорционально интенсивности подсветки JП (рис. 4). Расчет БФП на внутреннем барьере ф2 представляет большие трудности из-за его неоднородной примесно-дефектной структуры. При освещении происходит изменение высоты и ширины всего n-s-барьера, но в создании БФП участвует изменение ширины только части барьера W2, локализованной в проводящем слое. Интересно, что БФП на внутреннем барьере в проводящем слое может наблюдаться при фотовозбуждении глубоких примесных центров в s-GaAs.  Рис. 4. Зависимость ФП от интенсивности подсветки [6]. Без подсветки в барьерной ФП обычно доминирует вклад поверхностного барьера, при интенсивной коротковолновой подсветке в толстых слоях – вклад внутреннего барьера, поскольку при подсветке его высота уменьшается слабее, чем высота поверхностного барьера. ^ Рассмотрим теперь ФП в ГНС с встроенным в поверхностный барьер слоем КТ InAs/GaAs. Энергетическая диаграмма структуры показана на рис. 5.  Рис. 5. Энергетическая диаграмма ГНС типа InAs/GaAs, содержащей слои КТ, встроенный в поверхностный барьер. Стрелками 1, 2 показаны возможные механизмы эмиссии электронов из КТ. Если энергия фотонов равна разности энергий уровней размерного квантования электронов и дырок в КТ, т.е. h = Ee1 - Ehh1, они будут поглощаться КТ и создавать в ней неравновесные электроны и дырки. Для возникновения барьерной фотопроводимости в ГНС в этой области спектра необходима эмиссия фотовозбужденных носителей из слоя КТ и их пространственное разделение в поле барьера. Для этого слой КТ встраивают в область сильного поля барьера. В достаточно сильном поле появляется возможность не только надбарьерной термической эмиссии носителей из квантово-размерного слоя (стрелка 1), но и термоактивированной туннельной эмиссии через возбужденное состояние (не показана на рис. 5), а также эмиссии посредством прямого туннелирования через сниженный полем (эффект Пула-Френкеля) треугольный барьер (стрелка 2). Эмиссия носителей из КТ и их разделение полем поверхностного барьера приводят к понижению его высоты и уменьшению его ширины, т.е. к возникновению БФП на этом барьере, как и при межзонном фотовозбуждении матрицы GaAs. Эффективность эмиссии электронов из КТ eD зависит от начальной высоты эмиссионного барьера, напряженности электрического поля в окрестности КТ и температуры и определяется выражением:  (9)где e - время жизни электронов в КТ, определяемое эмиссией, а r - время жизни, определяемое всеми каналами конкурирующих с эмиссией процессов рекомбинации электрона. Если слой КТ встроен в квазинейтральной области на некотором расстоянии от поверхностного барьера, то внутренняя фотоэлектрическая квантовая эффективность излучения, поглощённого КТ, D, если определить её как отношение числа пар, разделённых барьером, к числу поглощённых фотонов, будет определяется выражением: D = DeD , (10) где D -коэффициент оптического поглощения КТ, – коэффициент диффузионного переноса пар к барьеру. Предполагается, что каждый поглощённый фотон создаёт в КТ электронно-дырочную пару и все пары, достигшие барьера, разделяются им. При встраивании слоя КТ в область достаточно сильного поля барьера = 1, eD= 1 и величина D = D, т.е. определяется только коэффициентом поглощения КТ. В спектральной области поглощения КТ вклад в ФП могут вносить носители, возникающие при фотовозбуждении дефектных центров не только в ГНС, но и в полуизолирующей подложке (примесная БФП на внутреннем барьере). Поэтому фон примесной фоточувствительности на спектре фотопроводимости проявляется значительно сильнее, чем на спектре фотоэдс на контакте полупроводник/электролит (ФПЭ). На рис. 6 показаны спектры ФПЭ (фоточувствительность связана только с изменением высоты поверхностного барьера) и ФП (фоточувствительность связана с изменением ширины как поверхностного, так и внутреннего барьеров) ГНС. Фон примесной фоточувствительности мешает обнаружению тонкой структуры спектра КТ, особенно при их низкой поверхностной плотности. Это является недостатком метода спектроскопии фотопроводимости. К достоинствам метода спектроскопии фотопроводимости можно отнести то, что он является простым в реализации и практически неразрушающим, а также позволяет исследовать ГНС без покровного слоя.  Рис. 6. Спектры фоточувствительности структуры с одиночным слоем КТ, измеренные методами спектроскопии фотоэдс в системе полупроводник/электролит (кривая 1) и спектроскопии барьерной фотопроводимости (кривая 2). ^ Измерение спектров ФП производится на автоматизированной установке, блок-схема которой показана на рис. 7.  Рис. 7. Блок-схема установки для измерений фотоэлектрических спектров Источником монохроматического излучения служит светосильный монохроматор SpectraPro 500i или МДР-2 (на другой установке) с дифракционной решеткой 300 или 600 штрихов/мм. В качестве источника излучения используется галогеновая лампа мощностью 250 Вт, питаемая от стабилизированного источника тока. Излучение на выходе монохроматора модулируется дисковым модулятором с частотой ~ 100 Гц. Интенсивность падающего на образец излучения можно изменять при помощи калиброванных металлических сеток. Относительное распределение интенсивности излучения на выходе монохроматора J0(h), необходимое для определения фоточувствительности, измерено с помощью калиброванных Ge, InGaAs и PbS фотодиодов и заведено в компьютер. Регистрация сигнала проводится по стандартной селективной схеме с синхронным детектированием с использованием опорного сигнала от оптопары. После первичной обработки сигнала в компьютере, которая заключается в делении его на интенсивность падающего излучения при заданном значении h, на монитор выводится спектр фоточувствительности Sф(h). Для измерения планарной фотопроводимости используется схема подключения образца показанная на рис. 8. Омические контакты к структурам изготавливаются электроискровым вжиганием оловянной фольги. Для обеспечения надежного контакта межу прижимным зондом и образцом на контакты наносится жидкая металлическая InGa паста. Для получения максимального сигнала сопротивление нагрузки Rн выбирается близким к сопротивлению образца. Режим максимальной чувствительности реализуется при равенстве темнового сопротивления образца и нагрузки Rн.  Рис. 8. Схема измерения планарной ФП. RН – сопротивление нагрузки. ^ Собрать измерительную ячейку. Для этого установить образец в держатель, соединить омические контакты на образце с пружинными электродами ячейки. Измерить темновое сопротивление образца. Выставить нагрузочное сопротивление близкое к сопротивлению образца. Подать на образец напряжение 2 В. Включить питание лампы накаливания и модулятор. Добиться максимальной величины фотоэлектрического сигнала, фокусируя выходящее из монохроматора излучение на образец. Ознакомиться с описанием программы для измерения спектров. Выполнить задание. 6. Задание
7. Вопросы
Литература
^ Практикум Составители: старший преподаватель А.П. Горшков, профессор И.А. Карпович, инженер Л.А. Истомин. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского» 603950, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23. Подписано в печать Формат 60 х 90 /16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 1 . Уч.- изд. л. . Заказ № . Тираж 100 экз. Отпечатано в типографии Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского 603600, г. Нижний Новгород, ул. Большая Покровская, 37 Лицензия ПД № 18-0099 от 14.05.01 |
Похожие:
 | Учебное пособие Рекомендовано методической комиссией физического... Целью этого пособия является обучение студентов основам физики поверхностных электрических явлений в полупроводниках для понимания... |  | Ннгу, обучающихся по направлению подготовки 080800 «Прикладная информатика... Рекомендовано методической комиссией факультета вычислительной математики и кибернетики для студентов ннгу, обучающихся по направлению... |
| - Рекомендовано методической комиссией филологического факультета для студентов ннгу, обучающихся по направлению подготовки 031300... | | Прикладная информатика Нижний Новгород 2005 Рекомендовано методической комиссией факультета вычислительной математики и кибернетики для студентов высших учебных заведений, обучающихся... |
| Основы стиховедения ... | | Учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией... Учебно-методическое пособие предназначено для студентов факультета физической культуры и спорта ннгу, обучающихся по направлению... |
| Учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный... | | В. А. Берендеев История политических учений Запада Учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией факультета международных отношений для студентов ннгу, обучающихся по направлениям подготовки... |
| Учебно-методическое пособие для абитуриентов, выпускников, учителей... В 75 Воробьёва М. С. Н. В. Гоголь. «Шинель», «Ревизор», «Мёртвые души». Учебно-методическое пособие для абитуриентов, выпускников,... | | Методическая разработка Часть Рекомендовано методической комиссией... Рекомендовано методической комиссией механико-математического факультета для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям... |