Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

ім. В.Є. Лашкарьова

На правах рукопису

УДК 621.315.592

Особливості переносу заряду в низьковимірних гетероструктурах на основі сполук A₃В₅

01.04.07 - фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Данилюк Сергій Васильович

Київ 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної Академії наук України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Бєляєв Олександр Євгенович Інститут фізики напівпровідників НАН України, заступник директора

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор, член-кореспондент НАН України Лисенко Володимир Сергійович Інститут фізики напівпровідників НАН України, завідувач відділу

доктор фізико-математичних наук, професор Король Анатолій Миколайович Національний університет харчових технологій, завідувач кафедри

Провідна установа: Інститут фізики НАН України, м. Київ

Захист дисертації відбудеться 24 жовтня 2003 року о 14¹⁵ годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради К.26.199.01 при Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою:03028, Київ-28, пр. Науки, 45.

Автореферат розісланий 23 вересня 2003 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради К.26.199.01

кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Активні дослідження низьковимірних гетероструктур на основі сполук А₃В₅ тривають вже понад 20 років. За цей час вони утвердили себе як високоефективний матеріал для багатьох оптичних та електронних приладів, а в деяких областях сучасної електроніки (гетеролазери, транзистори з високою рухливістю електронів) вони і зовсім не мають собі суперників. Унікальні електричні та оптичні властивості дво-, одно-, та нульмірних структур можуть бути використані для створення лазерів, детекторів і модуляторів в інфрачервоному та видимому діапазонах спектра, високошвидкісних оптичних перемикачів, надшвидкодіючих транзисторів, підсилювачів та генераторів. Для ефективного проектування та експлуатації цих пристроїв необхідно досконало знати механізми усіх процесів, які можуть впливати на їх ККД.

Тим не менше, значне коло питань, що безпосередньо стосуються як практичного застосування низьковимірних структур так і фундаментальних квантових процесів у них залишаються недослідженими.

Зокрема, не дивлячись на те, що резонансно тунельні діоди вже застосовуються як активні елементи фотодетекторів у видимій та інфрачервоній областях спектра, механізми формування фотоструму в них є недостатньо вивченими. З'ясування особливостей цих процесів може значно підвищити ефективність роботи фотодетекторів, побудованих на таких структурах. Також поза увагою дослідників залишаються і інші методи зовнішнього впливу на резонансно тунельні структури (РТС). Хоча давно відомо, що створення на поверхні РТС системи гребінчастих Шоткі-контактів може підвищити ефективність фотодіода, кількісно механізми впливу створеного контактами періодичного потенціалу на струм через РТС не розглядались, чим стримувались подальші дослідження в цій області.

Перспективність нуль-вимірних структур, як наступників дво- і одномірних шаруватих структур, не викликає сумнівів, оскільки обумовлена їх фундаментальними квантовими властивостями. З технологічної точки зору на сьогоднішній день найбільш популярними є квантові точки (КТ), утворені ефектами самоорганізації. Проте практичне застосування їх стримується як труднощами технологічного характеру, так і відсутністю універсальних методів дослідження їх параметрів. В даній роботі вивчається новий метод дослідження параметрів нуль-вимірних структур (квантових точок), заснований на використанні p-i-n діоду в якості матриці(носія) квантових точок та комплексі електричних та оптичних вимірювань. Успішне застосування останнього обіцяє швидкий та надійний метод спектрального аналізу квантових точок і дозволить полегшити вивчення процесів переносу заряду через низьковимірні структури.

Дослідження особливостей транспорту носіїв через КТ є надзвичайно важливим не тільки з теоретичної, а й з практичної точки зору, адже більшість застосувань напівпровідникових приладів так чи інакше пов'язана з переносом заряджених частинок через структуру. Нульмірні утворення, крім покращення параметрів традиційних приладів, обіцяють цілий ряд нових застосувань, наприклад, одноелектронні транзистори та квантові комп'ютери. Для високочастотної електроніки важливим є дослідження процесів в областях від'ємної диференційної провідності (ВДП), що часто супроводжуються виникненням зовнішньої (контролюється параметрами зовнішнього електричного кола) та внутрішньої (контролюється дизайном самої структури) бістабільностей. Внутрішні бістабільності є зовнішнім проявом процесів накопичення заряду у низьковимірних структурах (квантових ямах (КЯ) та квантових точках) і їх дослідження часто допомагає визначити важливі параметри цих гетероструктур та зрозуміти механізми утворення струму через них у всьому діапазоні прикладених напруг. Таким чином, проведені у даній роботі дослідження бістабільностей у комплексній гетероструктурі, що містить як квантову яму, так і масив квантових точок, є актуальними як з точки зору фундаментальних досліджень, так і для розширення використання таких структур у приладах функціональної електроніки.

Отже, дослідження переносу заряду у низьковимірних гетероструктурах на основі сполук А₃В₅, проведені у цій роботі, є актуальними з практичної точки зору та грають важливу роль у розширенні розуміння фізичних властивостей низьковимірних гетероструктур.

Зв'язок роботи з науковими програмами.

Дослідження, результати яких увійшли до дисертаційної роботи, були проведені в рамках планових фундаментальних досліджень Інституту фізики напівпровідників НАН України таких бюджетних тем:

“Фізичні та фізико-технічні основи створення напівпровідникових матеріалів і функціональних елементів для систем сенсорної електроніки” (Постанова Бюро фізики і астрономії НАН України, Протокол №12 від 11.11.1999 р. Шифр теми 1.3.7.3);

“Механізми впливу технології отримання і зовнішніх факторів на властивості напівпровідникових структур і функціональних елементів сенсорних систем на їх основі” (Постанова Бюро фізики і астрономії НАН України, Протокол №11 від 27.11.2002 р.);

а також у рамках міжнародних програм:

1. “Нанофізика та наноелектроніка” - спільна українсько-російська програма.

2. “Нанофізика та нанотехнологія” - спільна українсько-німецька програма.

Мета дисертаційної роботи - вивчення особливостей переносу заряду в квантових гетероструктурах на основі сполук А3В5 під дією освітлення, додаткового електричного потенціалу та наявності носіїв заряду обох знаків.

Об'єктом дослідження були обрані вирощені методом МПЕ гетероструктури з квантовими ямами на основі сполук AlxGa1-xAs/GaAs та гетероструктури, що містили масив самоорганізованих квантових точок, побудовані на основі сполук AlxGa1-xAs/GaAs/InAs.

Результати досліджень, що увійшли до складу дисертації, проводились з використанням таких методів: вимірювання вольт-амперних та вольт-фарадних характеристик зразків у широкому діапазоні температур (0.03К < Т < 300 K) та магнітних полів (0 < H < 10 T), а також виміри спектрів фотовідгуку в спектральному діапазоні від 400 нм до 1900 нм. Також використовувались виміри фото- та електролюмінесценції зразків.

Наукова новизна і практичне значення роботи. При дослідженні явищ переносу заряду у низьковимірних гетероструктурах було отримано такі нові результати:

1) Визначено відносний вклад до фотоструму як носіїв, прямо інжектованих світлом у квантову яму, так і носіїв, що тунелюють в КЯ з акумуляційного шару. Крім того, отримано підтвердження присутності електрон-діркової рекомбінації фотозбуджених носіїв в ямі. Встановлено, що фотовідгук в інфрачервоній області спектра має комплексний характер, зумовлений різними механізмами збудження електронно-діркових пар, а саме, фотовідгук формується не тільки носіями, генерованими з КЯ, а й такими, що збуджуються з локалізованих станів в акумуляційних шарах.

2) Побудована модель електрично-індукованої надгратки, створеної системою гребінчастих Шоткі-контактів. Згідно отриманих результатів, зменшення відстані між контактами дозволить підсилити ефект впливу латерального потенціалу такої надгратки на транспортні характеристики РТС, розміщеної в області просторового заряду Шоткі-контактів у кілька разів.

3) При дослідженні спектрів КТ було показано, що p-i-n діоди є найбільш універсальним спектрометром для дослідження енергетичної структури квантових точок, так як, на відміну від монополярних структур, дозволяють одночасно досліджувати як електронні, так і діркові стани КТ. Енергетичний спектр серії InAs КТ у матрицях від GaAs до AlAs був досліджений у залежності від складу матриці за допомогою цього методу.

4) Виявлено, що у структурах з КТ за рахунок ефектів накопичення заряду можуть виникати струмові бістабільності. За умови поміщення шару InAs КТ у квантову яму AlAs/GaAs/AlAs, що знаходиться в i-області p-i-n діода, можливе утворення бістабільностей як S- так і Z-типу в одному пристрої. Це зумовлено процесами зарядки діркових та електронних станів КТ, та впливом накопиченого заряду на розподіл потенціалу по структурі.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

1) Встановлено вплив акумуляційних шарів ДБРТД на фотовідгук структури, врахування якого дає змогу збільшити ефективність фотодетекторів на РТС.

2) Визначено шляхи підняття чутливості струму через РТС, що розміщена у області просторового заряду системи гребінчастих Шоткі-контактів, до періодичного потенціалу, створеного напругою на цих контактах. Модифіковані згідно результатів дисертації структури можуть бути використані для фотодетекторів підвищеної чутливості.

3) Запропоновано новий тип спектрометрів для InAs КТ, що є перспективними для фундаментальних досліджень нуль-вимірних структур.

4) Доведено, що бістабільності S- та Z-типу, знайдені у p-i-n структурах з КТ в і-області, обумовлені процесами розрядки/зарядки електронних і діркових станів нульмірних структур. Це слід враховувати у проектуванні детекторів, лазерів, чи генераторів, що використовують КТ.

Отримані результати добре узгоджуються із сучасними уявленнями фізики напівпровідників, а також підтверджуються даними, незалежно отриманими іншими авторами. надгратка заряд квантовий електричний

Особистий внесок. Постановка задач й обговорення результатів були проведені з науковим керівником. Здобувачем самостійно проводились експериментальні дослідження транспортних характеристик усіх структур, що обговорюються в дисертації, в тому числі виміри вольт-амперних та вольт-фарадних характеристик. Також здобувачем проводились усі виміри у сильних магнітних полях та при низьких та наднизьких температурах. Різка, корпусування та безпосередня підготовка зразків до вимірів також проводилась здобувачем. Ріст шаруватих структур, травлення та виготовлення контактів до зразків були виконані у групі проф. Івса з Університету Ноттінгема. Ідея про можливість використання p-i-n діодів у якості спектрометрів КТ була розвинута разом із керівником дисертації О.Є. Бєляєвим. Виміри фотовідгуку РТС та структур з КТ проводились у співпраці із групою доктора Н.Кляйна з Дослідницького Центру Юліх, Германія. Теоретичне моделювання електростатичного потенціалу гребінчастої системи контактів було зроблено у співпраці з проф. Д.І. Шекою з Київського державного університету імені Шевченка. Участь здобувача у створенні моделі утворення бістабільностей у структурах, що містять КТ, полягала в проведенні експериментів та розробці якісної моделі в результаті дискусій з науковим керівником. Подальше теоретичне моделювання було зроблено у співпраці з групою проф. Шолля з Інституту Теоретичної Фізики Берлінського Університету.

Апробація результатів роботи.

Основні матеріали дисертації доповідались на таких конференціях:

1. XXIX International School of Semiconductor Compounds, Jaszowiec, Poland, 2000;

2. VIII International Symposium „Nanostructures: physics and technology“, St.Petersburg, Russia, 2000;

3. XXV International Conference on the Physics of Semiconductors, Osaka, Japan, 2000;

4. XXV Workshop on Compound Semiconductor Devices and Interdigitated Circuits held in Europe, Sardinia, Italy, 2001;

5. International Conference “Nanophotonics-2001”, Nyzhny Novgorod, Russia, 2001;

6. IX International Symposium “Nanostructures: Physics and Technology”, St. Peterburg, Russia, 2001;

7. International Conference on Modulated Semiconductor Structures, Linz, Austria, 2001;

8. XXX International School of Semiconductor Compounds, Jaszowiec, Poland, 2001, a також на семінарах відділення технології і матеріалів сенсорної техніки ІФН НАНУ.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 робіт, з яких - 6 статей в провідних фахових журналах та 8 тез в матеріалах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із Вступу, чотирьох змістовних розділів, Висновків, Списку використаної літератури, що містить 104 найменування, та Додатку. Повний обсяг роботи складає 115 сторінок, вона містить 36 рисунків.

Основний зміст роботи

У Вступі обґрунтовано актуальність вибору теми дисертації та об'єктів досліджень, сформульовано мету і задачі роботи, обґрунтовано наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, наведено відомості про апробацію роботи і публікації, в яких брав участь автор, а також подано структуру та короткий зміст дисертації за розділами.

Перший розділ присвячено літературному огляду з теми дисертації. Перша частина містить відомості про теоретичні та експериментальні дослідження ефекту резонансного тунелювання, особлива увага присвячена тунелюванню через двомірні та нульмірні структури, що розглядаються у дисертації. В другій частині висвітлено використання методу тунельної спектроскопії для дослідження різних типів квантово розмірних структур. Проаналізовано роботи, що стосуються досліджень 2D-2D та 3D-2D тунельних процесів. Третя частина присвячена експериментальним та теоретичним дослідженням квантових точок. Розглянуто механізми утворення самовпорядкованих масивів нанокристалів. Закінчується розділ висновками, які випливають з даного огляду.

У Другому розділі роботи обговорено питання методики досліджень і техніки застосованих в роботі електричних (виміри струму та ємності в залежності від прикладеного поля) та оптичних (фотовідгук, фото- та електролюмінесценція) досліджень. Також описуються умови вимірів при низьких та наднизьких температурах, а також у сильних магнітних полях (до 10 Т). Наводяться описи установок, що використовувалися, оцінюються похибки проведених експериментів.

В третьому розділі дисертації наведено результати досліджень механізмів формування тунельного струму у резонансно-тунельних структурах (РТС) під дією зовнішніх чинників: освітлення (частина 3.1) та додаткового просторово періодичного потенціалу (частина 3.2).

У частині 3.1 нами було досліджено залежність фотовідгуку двобар'єрного резонансно тунельного діоду (ДБРТД) від довжини хвилі падаючого на зразок випромінювання. Виміри проводились при різних напругах зміщення, прикладених до резонансно-тунельної структури. Отримано спектр фотовідгуку (рис.1), що демонструє як зон-зонне збудження фотогенерованих носіїв (зона А на рис.1), так збудження електронно-діркових пар безпосередньо у квантовій ямі (зона Б). Окрім того, було виявлено нелінійну залежність обох максимумів фотовідгуку від прикладеного електричного поля (рис.1). Співставивши результати вимірів фотовідгуку з темновою вольт-амперною характеристикою зразка, нами було виявлено чітку кореляцію результатів (рис.2). На основі експериментальних даних побудовано модель збудження, транспорту та рекомбінації фотоносіїв, яка пояснює таку поведінку. Підтверджено, що інтенсивність фотоструму в структурах з квантовими ямами обмежена рекомбінацією електронно-діркових пар.

Також досліджено вплив локалізованих у акумуляційних шарах носіїв на фотовідгук діоду. Проведено виміри фотопровідності в інфрачервоному діапазоні (рис.3).Встановлено, що форма спектру суттєво змінюється з прикладеною напругою.

Крива, виміряна при 0.7 В має один чітко виражений максимум при 1.73 мкм, а також помітне плече з короткохвильового боку. При напрузі 2.25 В крива трансформується в двохзонний спектр з сильним максимумом при 1.63 мкм та дещо слабшим при 1.83 мкм. Всі ці особливості пов'язані з фотоіндукованими переходами зона - континіум.

При малих напругах зміщення вони відповідають збудженню електронів з локалізованих станів в акумуляційних шарах (плече на рис.3, процес 2 на вставці рис. 3) та переходах з основного квантового рівня у КЯ (зона на рис. 3, процес 1 на вставці рис. 3). В обох випадках висота бар'єру, що необхідно подолати носіям добре співвідноситься з потенціальним профілем, розрахованим для такої структури.

Таким чином, скомбінувавши аналіз спектрів фотовідгуку у широкому діапазоні довжин хвиль з вимірами їх вольт-амперних характеристик, нам вдалося визначити відносний вклад до тунельного струму як носіїв, прямо інжектованих світлом у квантову яму, так і носіїв, що тунелюють в КЯ з акумуляційного шару. Крім того, отримано підтвердження присутності електрон-діркової рекомбінації фотозбуджених носіїв в КЯ.

Встановлено, що фотовідгук в інфрачервоній області спектру має комплексний характер, зумовлений різними механізмами генерації фотоносіїв, а саме, фотовідгук формується не тільки носіями, збудженими з КЯ, а й такими, що збуджуються з локалізованих станів в акумуляційних шарах. Результати досліджень є необхідними для проектування фотодетекторів на РТС.

Окрім оптичних досліджень спектрів фотовідгуку чи фотолюмінесценції, іншим методом дослідження квантоворозмірних ефектів у двобар'єрних гетероструктурах є додаткова модуляція латерального (в площині гетерошарів) потенціалу електричним полем, створеним системою зустрічно-штирьових контактів на поверхні гетеросистеми. В частині 3.2 досліджено вплив такого потенціалу на струм, що протікає через двобар'єрну гетероструктуру, розміщену в області збіднення Шоткі контактів.

Проведено моделювання електричного потенціалу, розрахований його розподіл по структурі (рис.4). Теоретичні розрахунки впливу потенціалу на Шоткі-контактах на тунельний струм через РТС були підтверджені експериментально. Встановлено залежність ефекту від параметрів структури. Показано, що зменшення відстані між контактами та розміщення резонасно-тунельної структури ближче до поверхні приладу дозволить підсилити чутливість струму, що протікає через РТС, до напруги, прикладеної до системи Шоткі контактів.

В четвертому розділі даної дисертації досліджуються ефекти, пов'язані з переносом заряду через нульмірні структури - напівпровідникові квантові точки (КТ). В розділі проведені такі дослідження:

Виміряні вольт-амперні (ВАХ) та вольт-фарадні характеристики (ВФХ) p-i-n діодів, в і_область яких було поміщено площину самовпорядкованих InAs квантових точок. Виміряні залежності провідності та ємності структур від магнітного поля, досліджені осциляції Шубнікова - де Гааза. Розроблений метод аналізу вольт-амперних та вольт-фарадних характеристик для p-i-n діодів, що дозволив поставити у відповідність прикладеній до зразка напрузі енергетичне зміщення рівнів КТ. За допомогою даних по електролюмінесценції вдалося однозначно ідентифікувати всі особливості на ВАХ та ВФХ, та отримати положення основних квантових рівнів як електронних так і діркових станів квантових точок (рис.5).

Так, для квантових точок, вирощених у матриці AlAs, положення основного електронного стану КТ рівне 105меВ вище дна зони провідності арсеніду галію, в той час як для квантових точок, вирощених посередині квантової ями AlAs/GaAs/AlAs шириною 6 нм, тобто у матриці GaAs, це значення рівне 135меВ нижче дна зони провідності арсеніду галію.

Окрім того, використовуючи дані транспортних та магнітотранспортних експериментів, вдалося визначити ефективний розмір бази квантових точок - 13 нм.

Результати цих досліджень були використані у наступній частині розділу, де досліджувались процеси накопичення заряду в структурі, що містить і квантову яму і площину квантових точок. Було проведено низькотемпературні виміри ВАХ зразка (при 4К) за умов різних напрямків зміни електричного поля.

Виявлено, що вольт-амперні характеристики такої структури (рис.6) мають ділянку (в околі області ВДП), в якій струм через зразок може приймати два значення одночасно, тобто мають так звану бістабільність Z-типу (нижня вставка рис.6). Подальше зниження температури вимірів дозволило знайти ще одну ділянку бістабільності - S-типу - при малих напругах (верхня вставка рис.6). Для пояснення ефекту було зроблене моделювання потенціальної структури зразка методом самоузгодженого розв'язку рівнянь Пуассона і Шредінгера. Це дало змогу визначити природу бістабільностей. Бістабільність Z-типу виникає завдяки накопиченню заряду у квантовій ямі, в той час, як бістабільність S-типу індукується процесами перезарядки і накопичення заряду на квантових точках. Причому, встановлено, що така бістабільність може виникнути тільки у випадку наявності у структурі струмів подвійної інжекції. Для підтвердження моделі були проведені температурні виміри ємності в діапазоні 4 - 80К, що продемонстрували наявність переключень між двома зарядовими станами і при вищих температурах.

Висновки

В дисертаційній роботі наведено результати експериментальних та теоретичних досліджень особливостей переносу заряду в квантових гетероструктурах на основі сполук А₃В₅. Основні результати роботи такі:

1. Визначено відносний вклад до фотоструму як носіїв, прямо інжектованих світлом у квантову яму, так і носіїв, що тунелюють в КЯ з акумуляційного шару. Крім того, отримано підтвердження присутності електрон-діркової рекомбінації фотозбуджених носіїв в ямі. Встановлено, що фотовідгук в інфрачервоній області спектра має комплексний характер, зумовлений різними механізмами збудження електронно-діркових пар, а саме, фотовідгук формується не тільки носіями, генерованими з КЯ, а й такими, що збуджуються з локалізованих станів в акумуляційних шарах. Врахування цих ефектів є важливим для оптимізації роботи фотодекторів на РТС.

2. Побудована модель електрично-індукованої надгратки, створеної системою гребінчастих Шоткі-контактів. Згідно отриманих результатів, зменшення відстані між контактами підсилює ефект впливу латерального потенціалу такої надгратки на транспортні характеристики РТС, розміщеної в області просторового заряду Шоткі-контактів у кілька разів. Модифіковані згідно результатів дисертації структури можуть бути використані для фотодетекторів підвищеної чутливості.

3. При дослідженні спектрів КТ було показано, що p-i-n діоди є найбільш універсальним спектрометром для дослідження енергетичної структури квантових точок, так як, на відміну від монополярних структур, дозволяють одночасно досліджувати як електронні, так і діркові стани КТ. Енергетичний спектр серії InAs КТ у матрицях від GaAs до AlAs був досліджений у залежності від складу матриці за допомогою цього методу.

4. Виявлено, що у структурах з КТ за рахунок ефектів накопичення заряду можуть виникати струмові бістабільності. За умови поміщення шару InAs КТ у квантову яму AlAs/GaAs/AlAs, що знаходиться в i-області p-i-n діода, можливе утворення бістабільностей як S- так і Z-типу в одному пристрої. Це зумовлено процесами зарядки діркових та електронних станів КТ, та впливом накопиченого заряду на розподіл потенціалу по структурі. Ці ефекти слід брати до уваги при проектуванні детекторів, лазерів, чи генераторів, що використовують КТ.

Таким чином, у роботі отримано нове рішення актуальної для фізики напівпровідників задачі дослідження особливостей переносу заряду у низьковимірних гетероструктурах на основі сполук А₃В₅.

Вирішення цієї задачі має значення для з'ясування фізичних властивостей двомірних та нульмірних напівпровідникових гетероструктур та їх практичного використання у приладах сучасної напівпровідникової електроніки.

Результати роботи мають наукове та практичне значення для розуміння фундаментальних квантових ефектів, що відбуваються у низькорозмірних гетеро структурах, а також для побудови моделей сучасної фізики напівпровідників.

Основні висновки та положення, які сформульовані в дисертаційній роботі, є обґрунтованими, оскільки безпосередньо випливають із достовірних експериментальних результатів, не суперечать уявленням, які існують в даній галузі і підтверджуються даними, незалежно отриманими іншими авторами.

Основні результати дисертації опубліковані в таких роботах

S.A. Vitusevich, A. Fцrster, W. Reetz, H. Lьth, A.E. Belyaev, S.V. Danylyuk. Spectral responsivity of single quantum well photodetectors // Appl. Phys. Lett. 2000. v.77, N 1. P.16-18.

S.A. Vitusevich, A. Fцrster, W. Reetz, H. Lьth, A.E.Belyaev, S.V. Danylyuk. Fine structure of photoresponse spectra in double-barrier resonant tunneling diode // Nanotechnology. 2000. v.11. P. 305-308.

S.A. Vitusevich, A. Fцrster, W. Reetz, H. Lьth, A.E. Belyaev, S.V. Danylyuk. Fine structure of photoresponse spectra in double-barrier resonant tunneling diode // Proc. International Symp. “Nanostructures: physics and technology”. St.Petersburg (Russia). 2000. P. 351-354.

S.A. Vitusevich, A. Fцrster, W. Reetz, H. Lьth, A.E. Belyaev, S.V. Danylyuk, T. Figielski, A. Makosa. Peculiarities of spectral responsivity of double-barrier resonant tunneling diode // Proc. International School on. the Physics of Semiconductor Compounds. Jaszowiec (Poland). 2000. P. 99.

L. Eaves, P.C. Main, M. Henini, S.A. Vitusevich, A. Foerster, N. Klein, S.V. Danylyuk, A.E. Belyaev. Combined S- and Z-shaped current bistability induced by charging of quantum dots // Springer Proceedings in Physics.-v.87. Proc. International Conf. on the Physics of Semiconductors. Osaka (Japan). 2000. P. 773-774

S.A. Vitusevich, A.E. Belyaev, N.Klein, W. Reetz, A. Foerster, S.V. Danylyuk, D.I. Sheka. Electrical and optical properties of resonant tunneling structures with interdigitated gates // Proc.Workshop on Compound Semiconductor Devices and Interdigitated Circuits held in Europe. Sardinia(Italy). 2001. P. 119-120

A.E.Belyaev, S.A.Vitusevich, L.Eaves, P.C.Main, M.Henini, A.Foerster, W.Reetz, S.V.Danylyuk. Photoresponse spectra in a p-i-n diodes containing quantum dots // Proc. Conf. “Nanophotonics-2001”. Nyzhny Novgorod (Russia). 2001.

A.E.Belyaev, S.A.Vitusevich, L.Eaves, P.C.Main, M.Henini, A.Foerster, W.Reetz, S.V.Danylyuk. Photoresponse spectra in a p-i-n diodes containing quantum dots // Nanotechnology. 2002. v.13. P. 94-96.

A.E.Belyaev. A.Patane, L.Eaves, P.C.Main, M.Henini, S.V.Danylyuk. Double injection currents in p-i-n diodes incorporating self-assembled quantum dots // Proc. of International Symp.“Nanostructures: Physics and Technology”. St. Peterburg(Russia). 2001. P. 316-319.

S.A.Vitusevich, A.Fцrster, A.E.Belyaev, D.I.Sheka, H.Lьth, N.Klein, S.V.Danylyuk, R.V.Konakova. Resonant-tunneling effect in a periodically modulated electrical field // Proc. Intern. Conf. on Modulated Semiconductor Structures. Linz (Austria). 2001.

S.A.Vitusevich, A.Fцrster, H.Lьth, A.E.Belyaev, S.V.Danylyuk, R.V.Konakova, D.I.Sheka. Resonant spectroscopy of electric-field-induced superlattices // J.Appl.Phys. 2001. v.90. N 6. P. 2857-2861.

S.A.Vitusevich, A.Fцrster, H.Lьth, A.E.Belyaev, S.V.Danylyuk, R.V.Konakova, D.I.Sheka. Electric-field-induced superlattices // Proc. International School on Physics of Semiconducting Compounds. Jaszowiec (Poland). 2001. P. 58.

S.A.Vitusevich, A.Fцrster, A.E.Belyaev, D.I.Sheka, H.Lьth, N.Klein, S.V.Danylyuk, R.V.Konakova. Resonant-tunneling effect in a periodically modulated electrical field // Physica E. 2002. v. 13. p. 811-814.

G. Kiesslich, A.Wacker, E.Schцll, S.A.Vitusevich, A.E.Belyaev, S.V.Danylyuk, A.Fцrster, N.Klein, M. Henini. Nonlinear charging effect of quantum dots in a p-i-n diode.// Phys.Rev. B. 2003. v.68. p. 1653XX-1. 1653XX-6.

Анотація

Данилюк С.В. Особливості переносу заряду в низьковимірних гетероструктурах на основі сполук A₃В₅. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2003.

В роботі представлено результати комплексних досліджень процесів переносу заряду у низьковимірних гетероструктурах на основі сполук А₃В₅. Досліджуються квантові ями на основі гетеро пари Al(Ga)As/GaAs та системи самовпорядкованих квантових точок InAs у різних матрицях. Як головні методи, в роботі використовуються виміри ВАХ та ВФХ при низьких температурах (до 30 мК), у сильних магнітних полях (до 10 Т) та виміри фотовідгуку у широкому спектральному діапазоні.

Для резонансно тунельних структур визначено відносний вклад до фотоструму як носіїв, прямо інжектованих світлом у квантову яму, так і носіїв, що тунелюють в КЯ з акумуляційного шару. Встановлено комплексний характер фотовідгуку в інфрачервоній області спектра, зумовлений різними механізмами збудження електронно-діркових пар.

Побудована теоретична модель електрично-індукованої надгратки, створеної системою гребінчастих Шоткі-контактів. Результати розрахунків підтверджені експериментально.

Запропоновано p-i-n діоди у якості спектрометра для дослідження енергетичної структури квантових точок. Метод застосовано для дослідження як електронних, так і діркових станів InAs КТ у матрицях GaAs та AlAs.

Виявлено, що у структурах з КТ за рахунок ефектів накопичення заряду можуть виникати струмові бістабільності. Показано, що у p-i-n структурі, що містить і КЯ і КТ, можливе утворення бістабільностей як S- так і Z-типу.

Ключові слова: арсеніди галію, алюмінію і індію; гетероструктура; квантова яма; самовпорядковані квантові точки; фотодетектор; p-i-n діод; тунельна спектрометрія; струмова бістабільність; електрично-індукована надгратка.

Аннотация

Данилюк С.В. Особенности переноса заряда в низкоразмерных гетероструктурах на основе соединений A₃В₅. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2003.

В работе представлены результаты комплексных исследований процессов переноса заряда в низкоразмерных гетероструктурах на основе соединений А₃В₅. Исследуются квантовые ямы (КЯ) на основе гетеропары Al(Ga)As/GaAs и системы самоорганизованных квантовых точек (КТ) InAs в разных матрицах. Как основные методы, в работе используются измерения ВАХ и ВФХ при низких температурах (до 30 мК) и в сильных магнитных полях (до 10 Т), а также измерения фотоответа в широком спектральном диапазоне.

Для резонансно туннельных структур определен относительный вклад в фототок как носителей, прямо инжектированных светом в квантовую яму, так и носителей, туннелирующих в КЯ из аккумуляционного слоя. Кроме этого, получено подтверждение присутствия электрон-дырочной рекомбинации фотовозбудженных носителей в квантовой яме. Установлено, что фотоответ в инфракрасной области спектра носит комплексный характер, обусловленный различными механизмами возбуждения электронно-дырочных пар, а именно, фотоответ формируется не только носителями, генерированными в КЯ, но и носителями, туннелирующими из локализованных состояний в аккумуляционных слоях. Учет данных результатов при проектировании фотодетекторов позволит существенно увеличить их эффективность.

Построена модель электрически - индуцированной сверхрешетки, созданной системой встречно - штыревых Шоттки -контактов. Согласно полученным результатам, уменьшение расстояния между контактами усилит эффект влияния латерального потенциала такой сверхрешетки на транспортные характеристики РТС, размещенной в области обеднения Шоттки - контактов в несколько раз. Модифицированные, с учетом результатов работы, структуры могут быть использованы для фотодетекторов повышенной чувствительности.

При исследовании спектров КТ было показано, что p-i-n диоды являются наиболее универсальным прибором для исследования энергетической структуры самоорганизованных квантовых точек, так как в отличие от монополярных структур, позволяют одновременно исследовать как электронные, так и дырочные состояния КТ. Энергетический спектр серии InAs квантовых точек в матрицах GaAs и AlAs исследован в зависимости от состава матрицы с помощью данного метода.

Обнаружено, что в структурах с КТ за счет эффектов накопления заряда могут возникать токовые бистабильности. При условии размещения слоя InAs КТ в квантовую яму AlAs/GaAs/AlAs, находящуюся в i-области p-i-n диода, возможно проявление бистабильностей как S- так и Z-типа в одном приборе. Показано, что эффект обусловлен процессами зарядки/разрядки дырочных и электронных состояний КТ и влиянием накопленного на них заряда на распределение потенциала по і-области диода.

Ключевые слова: арсениды галлия, алюминия и индия; гетероструктура; квантовая яма; самоорганизованные квантовые точки; фотодетектор; p-i-n диод; туннельная спектрометрия; токовая бистабильность; электрически индуцированная сверхрешетка.

Summary

Danylyuk S.V. Charge transport features in low-dimensional heterostructures based on A₃В₅ compounds. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree by speciality 01.04.07 - solid state physics.- Institute of Semiconductor Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2003.

Complex investigations of charge transfer properties in low-dimensional heterostructures, based on A₃В₅ compounds have been presented. Al(Ga)As/GaAs quantum wells and systems of self-organizing InAs quantum dots have been investigated. Low-temperature (down to 30 mK) and high magnetic field (up to 10 T) current-voltage and capacitance-voltage measurements as well as photoresponse measurements have been used as main experimental technique.

For resonance tunneling diodes a relative contribution to photocurrent from different recombination mechanisms has been considered. Role of photocarriers, directly excited in the quantum well and ones, tunneled from accumulation layer has been clarified. In infrared region of spectrum an importance of contribution from carriers in accumulation layer has been revealed.

Investigation of resonant tunneling effect in periodically modulated electrical field created by a system of interlocked finger contacts has been presented. Theoretical model of electric field distribution has been built and verified experimentally.

p-i-n diode has been proposed as effective quantum dot spectrometer. Presented method has been used for investigation of electron and hole states of InAs quantum dots in different matrixes.

Current bistabilities have been revealed in structures that contain InAs quantum dots. Both Z- and S- shaped behavior has been demonstrated in p-i-n diode with QD and QW in i-region. The effect has been explained by bipolar charge accumulation effects.

Keywords: gallium, aluminium and indium arsenides; heterostructure; quantum well; self-organized quantum dots; photodetector; p-i-n diode; tunneling spectroscopy; current bistability; electric field induced superlattice.

Размещено на Allbest.ru