Фотоелектричні властивості багатошарових напівпровідникових SiGe гетероструктур з наноострівцями

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

01.04.05 - Оптика, лазерна фізика

гетероструктура наноострівець випромінювання спектр

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Фотоелектричні властивості багатошарових напівпровідникових SiGe гетероструктур з наноострівцями

Ніколенко Андрій Сергійович

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник

доктор фізико-математичних наук, професор

ВАКУЛЕНКО Олег Васильович,

Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри оптики фізичного факультету

Офіційні опоненти

доктор фізико-математичних наук, професор

СКРИШЕВСЬКИЙ Валерій Антонович,

Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри напівпровідникової електроніки радіофізичного факультету

доктор фізико-математичних наук, доцент

СТРЕЛЬЧУК Віктор Васильович,

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, провідний науковий співробітник відділу оптики і спектроскопії

Захист відбудеться «15» грудня 2008р. о 1530 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.23 в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 03680, м. Київ, проспект акад. Глушкова 2, корп. 1, ауд. 200.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий «13» листопада 2008р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.001.23

доктор фізико-математичних наук, професор Поперенко Л.В

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з напрямків сучасної фізики та технології напівпровідників, що активно розвивається, є напрям, що пов'язаний з отриманням та дослідженням напівпровідникових самоорганізованих нанооб'єктів. На даний момент знайдені можливості створення широкого класу таких об'єктів: самоорганізованих наноострівців, квантових точок, дротів, субмоношарових включень одного напівпровідника в матрицю іншого. За рахунок просторового обмеження руху носіїв заряду їх енергетичний спектр в напівпровідникових структурах зниженої розмірності значно відрізняється від спектру носіїв заряду в об'ємних напівпровідниках. Граничним випадком локалізації носіїв заряду є їхня локалізація у всіх трьох просторових напрямках. Такий тип локалізації реалізується в тривимірних самоорганізованих об'єктах (острівцях) одного напівпровідника, розміщених в матриці іншого, більш широкозонного напівпровідника.

Найбільш дослідженими на даний момент є самоорганізовані нанооб'єкти в напівпровідникових гетероструктурах на основі сполук A3B5. Перевагою напівпровідників цієї групи є можливість широкого вибору матеріалів з різною шириною забороненої зони та параметрами кристалічної гратки. Результатом досліджень стало створення нових приладів на основі структур A3B5 з самоорганізованими об'єктами.

Однак основою сучасної мікро- та наноелектроніки залишається кремнієва технологія. В зв'язку з цим реалізація на її основі нових напівпровідникових приладових рішень на основі гетероструктур є дуже привабливою та перспективною.

Германій є єдиним хімічним елементом, який дозволяє отримувати напівпровідникові гетероструктури на кремнієвих підкладках в широкому діапазоні складу та товщин шарів. Особливістю гетеропари Ge/Si є неузгодження кристалічних ґраток кремнію та германію. Наявність пружних деформацій в гетероструктурах Ge/Si накладає обмеження на товщину псевдоморфних шарів. За певних умов формування гетероструктур та їх компонентного складу накопичення пружних деформацій може призводити до формування тривимірних самоорганізованих об'єктів - GeSi наноострівців. В доволі вузькому інтервалі ростових параметрів вдається сформувати масив бездефектних GeSi острівців. Структури з самоорганізованими GeSi наноострівцями є привабливими як для досліджень фундаментальних наукових проблем так, так і з точки зору створення на їх основі оптоелектронних приладів. Практичний інтерес до GeSi гетероструктур з острівцями багато в чому пов'язаний також зі спостережуваною в цих структурах смугою фотолюмінесценції в області 1.3 - 1.55 мкм, що відповідає мінімуму втрат оптоволоконних ліній зв'язку.

На даний момент, незважаючи на велику кількість публікацій з даної тематики, фотоелектричні властивості SiGe гетероструктур з наноострівцями є вивченими недостатньо. Для створення нових оптоелектронних приладів необхідно знати особливості протікання нерівноважних процесів та володіти інформацією про енергетичну структуру таких систем. Дослідження спектральних залежностей фотопровідності (ФП) та фото-ЕРС у поєднанні з дослідженням комбінаційного розсіяння світла (КРС) та вимірюваннями зображень поверхні з допомогою атомно-силової мікроскопії (АСМ) є дієвим засобом вивчення нерівноважних процесів та встановлення енергетичних схем таких складних напівпровідникових структур.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в рамках наукової теми №06БФ051-10 “Оптичні та магнітооптичні властивості поверхневих шарів та плівок з різним типом провідності ”, номер державної реєстрації 0106U006391.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - визначити фізичну природу фотоелектричних спектрів та їх зв'язок з енергетичною структурою досліджуваних об'єктів.

Основним завданням роботи було 1) встановлення енергетичної схеми гетероструктур з SiGe наноострівцями та вивчення можливих типів оптичних переходів в таких структурах; 2) з'ясування впливу компонентного складу, механічних напружень, геометричних розмірів острівців на форму спектрів фотопровідності гетероструктур з SiGe наноострівцями.

Для виконання поставлених завдань було заплановано:

провести експериментальні дослідження спектральних залежностей ФП та фото-ЕРС зразків з SiGe наноострівцями різного компонентного складу, механічних напружень, геометричних розмірів;

теоретично розрахувати зонну діаграму гетеропереходу SiGe-острівець/Si-оточення використовуючи данні про компонентний склад та деформації SiGe наноострівців, отримані з аналізу спектрів КРС;

проаналізувати розраховану зонну діаграму гетеропереходу SiGe-острівець/Si-оточення та зробити висновки про типи оптичних переходів, оцінити їх енергії, враховуючи ефекти квантового обмеження;

встановити взаємозв'язок форми спектральних залежностей ФП та фото-ЕРС з розрахованими енергетичними схемами відповідних структур.

Об'єкт дослідження - багатошарові гетероструктури з SiGe наноострівцями.

Предмет дослідження - взаємодія оптичного випромінювання з багатошаровими гетероструктурами з SiGe наноострівцями.

Методи дослідження

вимірювання спектральних залежностей ФП та фото-ЕРС багатошарових гетероструктур з SiGe наноострівцями;

теоретичний розрахунок зонної структури гетеропереходу SiGe-острівець/Si-оточення з врахуванням компонентного складу, деформацій та геометричних розмірів наноострівців;

узгодження спектральних залежностей ФП та фото-ЕРС зі спектрами КРС багатошарових структур з SiGe наноострівцями;

використання топограм поверхонь структур з SiGe наноострівцями одержаних методом АСМ для врахування ефектів квантового обмеження.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

вперше проведено комплексне дослідження спектральних розподілів ФП, фото-ЕРС та КРС разом з АСМ дослідженнями поверхні структур з SiGe наноострівцями, що при встановленні природи фоточутливості структур дозволило врахувати компонентний склад, деформації та розміри острівців, і однозначно ідентифікувати оптичні переходи, що зумовлюють особливості фоточутливості зразків;

доведено, що в гетероструктурах з SiGe наноострівцями в залежності від типу легування проміжних Si шарів можуть відбуватись або непрямі в просторі міжзонні переходи з локалізованих станів валентної зони острівців в стани зони провідності Si оточення або міжпідзонні переходи в валентній зоні наноострівців;

доведено, що відносний внесок у поперечну ФП носіїв заряду фотогенерованих внаслідок непрямих в просторі міжзонних переходів зростає при збільшенні напруженості електричного поля;

встановлено, що термічний відпал структур з SiGe наноострівцями призводить до підвищення ймовірності непрямих в просторі міжзонних переходів, а отже до збільшення величини фоточутливості структур;

виявлено, що термічний відпал структур з SiGe наноострівцями призводить до зменшення енергії оптичних переходів в валентній зоні наноострівців за участі локалізованих станів внаслідок зміни форми та зменшення глибини потенціальної ями валентної зони острівців.

Практичне значення одержаних результатів

Розроблена теоретична модель розрахунку зонної структури гетеропереходу SiGe-острівець/Si-оточення з врахуванням компонентного складу, деформацій та геометричних розмірів острівців дозволяє визначити типи оптичних переходів в структурах з SiGe наноострівцями та оцінити їх енергії.

Спектральні дослідження ФП багатошарових гетероструктур з SiGe наноострівцями вказують на принципову можливість створення ефективних приймачів випромінювання з керованою смугою фоточутливості на основі таких структур. При розробці таких фотоприймачів слід враховувати компонентний склад, деформації та геометричні розміри наноострівців.

Показано, що використання шарів SiGe острівців, вбудованих в базу зворотно зміщеної p-i-n структури, дозволяє значно підвищити фоточутливість структури в області непрямих в просторі міжзонних переходів та керувати величиною фотовідгуку за допомогою напруги зворотного зміщення структури.

Особистий внесок здобувача полягає у підготовці зразків до вимірів; нанесенні контактів до зразків; вимірюванні спектральних розподілів ФП та фото-ЕРС зразків з SiGe наноострівцями; розрахунку зонної діаграми SiGe/Si гетеропереходів досліджуваних структур та оцінці енергій оптичних переходів; участі в обговоренні експериментальних результатів, підготовці матеріалів та виголошенні доповідей на ряді конференцій; в написанні та підготовці до друку наукових статей.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на міжнародній науковій конференції молодих вчених “Problem of optics and high technology material science” (м. Київ, 28-31 жовтня 2004 р.), міжнародній науковій конференції молодих вчених “Problem of optics and high technology material science” (м. Київ, 27-30 жовтня 2005 р.), міжнародній науковій конференції молодих вчених “Optics and high technology material science ” (м. Київ, 26-29 жовтня 2006 р.), міжнародній науковій конференції молодих вчених “Optics and high technology material science” (м. Київ, 25-28 жовтня 2007 р.), науковій конференції “III Українська наукова конференція з фізики напівпровідників УНКФН-3” (м. Одеса, 17-22 червня 2007 р.), 8-му українсько-російському семінарі “Нанофизика и наноэлектроника” (м. Київ, 7-8 грудня 2007 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 14 наукових робіт, у тому числі 8 статей та тези 6-ти доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел. Вона викладена на 120 сторінках, включає в себе 44 рисунка, 6 таблиць та список використаних джерел з 118 найменувань на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми, вибір напрямку та методів досліджень, формулюється мета та задачі дисертаційної роботи, відображається наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, наводиться інформація про особистий внесок здобувача та апробацію результатів дисертації.

Перший розділ присвячено огляду літературних даних про структуру, морфологію, оптичні та фотоелектричні властивості структур з SiGe наноострівцями. Аналіз літературних даних показав, що структури з SiGe наноострівцями є складною неоднорідною системою, що характеризується розподілом за розмірами острівців, неоднорідним компонентним складом та розподілом механічних напружень. При дослідженні фотоелектричних властивостей таких структур потрібно застосовувати комплексний підхід, в якому разом з дослідженнями власне фотоелектричних властивостей структур треба використовувати дані допоміжних експериментальних методів таких як КРС та АСМ.

У другому розділі обґрунтовано вибір напрямку досліджень та описано обрані експериментальні методики. Наведено опис експериментальної установки для вимірювання спектральних розподілів ФП та фото-ЕРС. Описано методику обробки спектральних залежностей фотопровідності та фото-ЕРС. Наведено методики нанесення контактів до зразків. Описано технологічні умови отримання, параметри та структуру зразків з SiGe наноострівцями. Наведено також топограми епітаксіальних поверхонь досліджуваних зразків, отриманих методом АСМ, та проведено їх аналіз.

У третьому розділі розглянуто енергетичну діаграму гетеропереходу SiGe-острівець/Si-оточення. Показано, що зонна діаграма гетеропереходу SiGe-острівець/Si-оточення визначається компонентним складом острівців та присутніми деформаціями. Описано методику розрахунку зонної структури гетеропереходу SiGe-острівець/Si-оточення в рамках теорії деформаційних потенціалів.

Проаналізовано спектральні залежності КРС досліджуваних структур з SiGe острівцями. За частотним положенням смуг, що відповідають Si-Ge та Ge-Ge коливанням в острівцях було оцінено середні величини компонентного складу острівців та деформацій. Встановлено, що наноострівці досліджуваних структур являють собою двовісно напружений твердий розчин Si1-xGex. Вміст германію в острівцях для різних досліджуваних структур змінюється в межах , деформації становлять , .

За даними отриманими з аналізу спектрів КРС для досліджуваних структур розраховано зонну структуру напруженого гетеропереходу SiGe-острівець/Si-оточення. Отримано, що досліджувані структури відносяться до другого типу гетероструктур, в яких квантове обмеження в острівцях реалізується лише для носіїв заряду одного знаку - дірок. Наявність деформацій значно модифікує зонну структуру гетеропереходу. Двовісні деформації призводять до розщеплення валентної зони острівців. При цьому відбувається зміщення підзон важких та легких дірок відносно валентної зони недеформованого гетеропереходу. Величини розривів валентної зони є достатніми для ефективної локалізації носіїв заряду в острівцях, причому потенціальна яма для важких дірок є глибшою, ніж для легких. В зоні провідності острівців шестикратно вироджена ?- долина розщеплюється на двократно вироджену ?2 долину та чотирикратно вироджену ?4 - долину. Дно зони провідності острівця формується ?4 - долиною, а максимум валентної зони підзоною важких дірок.

Проаналізовано розраховані зонні діаграми гетероструктур та зроблено припущення про можливі оптичні переходи в досліджуваних структурах. Фоточутливість досліджуваних структур, в залежності від положення рівня Фермі в системі, може бути зумовлена непрямими в просторі міжзонними оптичними переходами з локалізованих станів валентної зони острівців в локалізовані стани зони провідності кремнієвого оточення або переходами дірок з локалізованих станів валентної зони острівців у стани валентної зони змочувального шару (ЗШ) та кремнієвого оточення. Причому перший тип переходів має реалізуватися за наявності електронів в валентній зоні острівців, тобто в структурах з SiGe острівцями n-типу, а для другого типу переходів необхідною умовою є заселення острівців дірками, що має місце в структурах з SiGe острівцями p-типу.

Оцінено енергії оптичних переходів з врахуванням ефектів квантового обмеження. Врахування квантового обмеження призводить до збільшення енергії непрямих в просторі переходів з локалізованих станів валентної зони острівців в локалізовані стани зони провідності кремнієвого оточення та до зменшення енергії переходів дірок з локалізованих станів валентної зони острівців у континуум станів валентної зони та локалізовані стани ЗШ.

Четвертий розділ присвячено дослідженню непрямих в просторі міжзонних переходів з локалізованих станів валентної зони острівців в стани зони провідності кремнієвого оточення в структурах з SiGe острівцями n-типу.

Проведено дослідження та аналіз спектральних залежностей ФП структур з SiGe наноострівцями n-типу (рис. 1). Показано, що гранична енергія на спектральних залежностях ФП досліджуваних структур (0.52 еВ) визначається енергією непрямих в просторі переходів з локалізованих станів валентної зони острівців підзони важких дірок в стани ?2-долини зони провідності кремнієвого оточення. Друга компонента фотоструму, яка починає давати внесок у ФП при 0.73 еВ може бути зумовленою міжзонними переходами електронів з підзони важких дірок валентної зони наноострівців в ?4 долину зони провідності наноострівців.

Проведено вимірювання ФП досліджуваних структур в різних геометріях контактів. При вимірюванні поперечної ФП, фоточутливість в області непрямих в просторі міжзонних переходів виявилась значно вищою, ніж у випадку поздовжньої ФП. Було припущено, що більш сильний фотовідгук в області непрямих в просторі міжзонних переходів, у випадку поперечної ФП зумовлений поглинанням в сильному електричному полі. Для перевірки цього припущення було проведено дослідження польової залежності спектральних залежностей поперечної ФП досліджуваних структур.

При збільшенні напруженості електричного поля зворотного зміщення спостерігається збільшення величини фоточутливості структур в області непрямих в просторі переходів (рис. 2). У випадку зворотного зміщення досліджуваної структури, електричне поле прикладене проти напрямку росту структури. Це призводить до зменшення глибини потенціальної ями для електронів в області вершини наноострівців та збільшення глибини ями в області поблизу основи. В електричному полі відбувається зсув максимумів хвильових функцій локалізованих станів при збільшенні напруженості прикладеного електричного поля. Це призводить до збільшення ймовірності переходів електронів в область основи наноострівців (Т1) та до зменшення ймовірності переходів в область вершини наноострівців (Т2) (рис. 3). При цьому електрони, локалізовані в області основи наноострівця, з більшою ймовірністю можуть тунелювати крізь наноострівець та давати внесок у фотострум.

Було зроблено припущення, що величина фоточутливості в області міжзонних переходів буде залежати також від концентрації носіїв заряду в структурі. Для його перевірки було досліджено вплив рівня легування досліджуваних структур на величину фоточутливості в області непрямих в просторі міжзонних переходів. Встановлено, що фоточутливість структур в довгохвильовій частині спектру збільшується при підвищенні концентрації електронів в структурі. Така закономірність пояснюється тим, що непрямі в просторі міжзонні переходи можливі лише за наявності електронів в наноострівцях. Ймовірність таких переходів, а отже і фоточутливість структури, збільшується при підвищенні концентрації електронів.

Спектральна область та величина фоточутливості досліджуваних структур в області непрямих в просторі переходів визначаються параметрами та електронною енергетичною структурою гетеропереходу SiGe-острівець/Si-оточення. Термічний відпал та високотемпературне зарощування гетероструктур з SiGe наноострівцями, призводить до зменшення вмісту Ge в острівцях та релаксації напружень в структурах. Це призводить до зміни енергетичної структури гетеропереходу SiGe-острівець/Si-оточення. Крім того, відпал спричиняє розмиття границі SiGe/Si гетеропереходу, що в результаті призводить до утворення плавного гетеропереходу. Таким чином відпал досліджуваних гетероструктур дозволяє керувати їх параметрами, що є зручним методом для дослідження фоточутливості таких об'єктів. Було припущено, що термічний відпал структур буде впливати на енергію та величину фоточутливості в області непрямих в просторі міжзонних переходів. З цією метою було проведено дослідження впливу термічного відпалу досліджуваних структур на форму їх спектрів ФП. Встановлено, що з відпалом відбувається зростання величини фоточутливості в області непрямих в просторі переходів. Таку поведінку пояснено за допомогою моделі, в рамках якої відпал структур разом зі зміною компонентного складу острівців та релаксацією напружень викликає також розмиття гетерограниці острівців. Зростання фоточутливості в області непрямих в просторі переходів з відпалом зумовлено збільшенням ймовірності переходів внаслідок збільшення перекриття хвильових функцій локалізованих станів при утворенні більш плавного гетеропереходу.

Непрямі в просторі міжзонні переходи проявляються також в спектрах поперечної фото-ЕРС досліджуваних структур. Внутрішнє електричне поле потенціальних бар'єрів, що існують в поперечному напрямку структури, забезпечує просторове розділення фотозбуджених носіїв заряду, що виникають внаслідок непрямих в просторі переходів. В залежності від напрямку внутрішнього поля потенціального бар'єру, на якому відбувається просторове розділення фотозбуджених носіїв заряду, відповідна компонента фото-ЕРС може мати той або інший знак.

На основі отриманих результатів з метою підвищення фоточутливості досліджуваних структур в області непрямих в просторі переходів було вирощено гетероструктуру з шарами SiGe острівців, вбудованих в базу p-i-n структури. Показано, що таке рішення дійсно дозволяє значно підвищити фоточутливість в області непрямих в просторі міжзонних переходів за рахунок можливості створення сильних електричних полів зворотнім зміщенням структури (рис. 4). Високий опір i-області структури дозволяє виокремити сигнал ФП від шарів SiGe острівців в чистому вигляді. При цьому співвідношення між компонентою фотоструму в області непрямих в просторі переходів та компонентою, зумовленою поглинанням в Si-оточенні острівців, з напругою зворотного зміщення змінюється в широкому динамічному діапазоні. Це відкриває виняткові можливості для створення ефективних фотодетекторів з керованою смугою фотовідгуку на основі структур з SiGe острівцями, розміщеними в базі p-i-n фотодіоду.

При високих інтенсивностях освітлення в досліджуваних структурах в області непрямих в просторі переходів спостерігалось явище від'ємної ФП, яке пояснено захватом та локалізацією фотозбуджених електронів на границі гетеропереходу SiGe-острівець/Si-оточення. Внаслідок неоднорідних деформацій в гетероструктурі SiGe/Si, на межі поділу існує зв'язаний стан для електронів. При міжзонному збудженні дірки акумулюватися в наноострівцях, заряджаючи останні додатнім зарядом. В результаті потенціальні ями для електронів на границі острівець/Si-оточення поглиблюються. Це призводить до захоплення нерівноважних електронів та зниження їх концентрації.

Модель, в рамках якої пояснено спостережуване явище від'ємної ФП, знайшла своє підтвердження також при дослідженні температурної залежності фото-ЕРС. Температурна залежність фото-ЕРС складається з двох характерних ділянок. В інтервалі температур від 250 до 350 К спостерігали стандартну фотодіодну температурну залежність фото-ЕРС. В інтервалі температур від 100 до 250 К спостерігали зростання сигналу фото-ЕРС при збільшенні температури. Такий характер температурної залежності пояснено наявністю пасток для носіїв заряду на яких відбувається їх рекомбінація. При збільшенні температури відбувається тепловий вихід носіїв з пасток і, як результат, - збільшення сигналу фото-ЕРС.

П'ятий розділ присвячено дослідженню міжпідзонних переходів в валентній зоні SiGe наноострівців p-типу. Проведено дослідження спектральних розподілів ФП досліджуваних структур. Показано, що енергія міжпідзонних переходів визначається розривами валентної зони гетеропереходу SiGe-острівець/Si-оточення та умовами квантового обмеження.

Залежність енергій міжпідзонних переходів дірок від компонентного складу, деформацій та геометричних розмірів SiGe острівців призводить до того, що форми спектрів фотоструму структур з різними зазначеними параметрами якісно відрізняються. Показано, що у випадку структур з наноострівцями досить великих розмірів, де ефектами квантового обмеження можна знехтувати, гранична енергія фотовідгуку структури визначається величиною розриву валентної зони острівця (рис. 5). Величина розриву валентної зони гетеропереходу SiGe-острівець/Si-оточення залежить від компонентного складу острівців та величин деформацій. Наявність двовісних деформацій в острівцях призводить до розщеплення валентної зони острівців на підзони важких та легких дірок та їх відносного зсуву. Це призводить до утворення двох системи локалізованих станів в острівцях. При цьому величина розриву валентної зони для підзони важких дірок є більшою, ніж відповідна величина для підзони легких дірок. Таким чином гранична енергія фоточутливості узгоджується з розрахованою величиною розриву валентної зони для підзони легких дірок, а енергія при якій спостерігалось більш швидке наростання фотоструму на спектральній залежності ФП, збігається з оціненою величиною розриву валентної зони для важких дірок.

При дослідженні ФП структур з острівцями “надмалих” розмірів, коли в валентній зоні острівців існує лише основний локалізований стан, зумовлений обмеженням в напрямку росту, в спектрах ФП спостерігаються максимуми фотоструму, зумовлені переходами з локалізованих станів валентної зони острівців в делокалізовані стани валентної зони кремнієвого оточення (Т1, Т2) та ЗШ (Т3) (рис. 6). При цьому їх енергетичні положення добре узгоджуються з оціненими енергіями відповідних переходів.

Найбільш ускладненим є випадок структур з досить малими наноострівцями, коли в валентній зоні острівців існують кілька локалізованих станів, зумовлених квантовим обмеженням в напрямку росту. В цьому разі, окрім переходів з локалізованих станів валентної зони острівців в делокалізовані стани оточення та ЗШ, спостерігаються також переходи між локалізованими станами валентної зони острівців (рис. 7). Встановлено, що максимум ФП T2 зумовлений переходами зі станів з квантовими числами (111) та (211, 121) в стани валентної зони ЗШ, а максимум T1 з переходами зі стану (221) в стани валентної зони ЗШ. Наростання сигналу ФП (Т3) пов'язане з переходами важких дірок з квантоворозмірних станів наноострівців в валентну зону Si-оточення (рис. 8). Слід відзначити, що при нормальному падінні збуджувального випромінювання спостерігались лише переходи з локалізованих станів валентної зони острівців в континуум станів валентної зони кремнієвого оточення та двомірні стани ЗШ. Фоточутливість структури при боковому освітленні більш ніж на порядок перевищує відповідну величину для нормального падіння. Це пов'язано з більш високим коефіцієнтом поглинання для випромінювання, поляризованого в напрямку більш сильного обмеження, тобто в напрямку росту структури.

Досліджено вплив термічного відпалу структур на енергію міжпідзонних переходів в валентній зоні острівців. Встановлено, що термічний відпал призводить до зменшення енергії оптичних переходів в валентній зоні наноострівців за участі локалізованих станів внаслідок зміни форми та зменшення глибини потенціальної ями валентної зони острівців. При цьому спостережуваний незначний вплив відпалу на енергію переходу з основного локалізованого стану зумовлено слабким впливом ефекту розмиття гетерограниці SiGe-острівець/Si-оточення при відпалі на хвильову функцію основного стану, переважна частина якої є локалізованою всередині об'єму наноострівця.

ВИСНОВКИ

Основним фактором, який суттєво обмежує застосування гетероструктур з SiGe наноострівцями в оптоелектроніці, є недостатній рівень вивчення насамперед їх фотоелектричних властивостей. При вивченні такої складної неоднорідної системи, якою є структури з SiGe наноострівцями, необхідно враховувати компонентний склад, деформації та геометричні розміри острівців.

В дисертації проведено дослідження спектральних розподілів фотопровідності та фото-ЕРС багатошарових гетероструктур з SiGe наноострівцями. Для визначення фізичної природи фотоелектричних спектрів та встановлення їх зв'язку з енергетичною структурою досліджуваних об'єктів розроблено теоретичну модель розрахунку зонної структури гетеропереходу SiGe-острівець/Si-оточення, яка дозволяє визначити можливі типи оптичних переходів та оцінити їх енергії. Для врахування компонентного складу, деформацій та геометричних розмірів острівців використано спектри КРС та АСМ топограми поверхонь досліджуваних структур.

Результати спектральних досліджень фотопровідності багатошарових гетероструктур з SiGe наноострівцями вказують на принципову можливість створення ефективних приймачів випромінювання з керованою смугою фоточутливості на основі таких структур. При розробці таких фотоприймачів слід враховувати неоднорідний компонентний склад, розподіл механічних напружень та геометричні розміри наноострівців.

Проведені експериментальні та теоретичні дослідження дозволили зробити такі висновки:

1. Показано, що в гетероструктурах з SiGe наноострівцями в залежності від типу легування проміжних Si шарів можуть відбуватись або непрямі в просторі міжзонні переходи з локалізованих станів валентної зони острівців в стани зони провідності Si-оточення або міжпідзонні переходи в валентній зоні наноострівців. В спектрах фотопровідності структур з SiGe наноострівцями n-типу спостерігаються непрямі в просторі переходи електронів з локалізованих станів валентної зони острівців в локалізовані стани зони провідності кремнієвого оточення. В структурах з SiGe наноострівцями p-типу спостерігаються переходи між локалізованими станами валентної зони наноострівців та міжпідзонні переходи дірок з локалізованих станів валентної зони острівців в стани валентної зони ЗШ та кремнієвого оточення.

2. Показано, що відносний внесок у поперечну фотопровідність носіїв заряду фотогенерованих внаслідок непрямих в просторі міжзонних переходів зростає при збільшенні напруженості електричного поля.

3. Використання шарів SiGe острівців, вбудованих в базу p-i-n структури, дозволяє значно підвищити фоточутливість в області непрямих в просторі міжзонних переходів за рахунок можливості створення сильних електричних полів зворотнім зміщенням структури.

4. Термічний відпал структур з SiGe наноострівцями призводить до підвищення ймовірності непрямих в просторі міжзонних переходів, а отже до збільшення величини фоточутливості структур. Відпал призводить також до зменшення енергії міжпідзонних оптичних переходів в валентній зоні наноострівців за участі локалізованих станів внаслідок зміни форми та зменшення глибини потенціальної ями валентної зони острівців.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ніколенко А.С. Фотоелектричні властивості напівпровідникових структур Si з квантовими точками Ge / Ніколенко А.С., Кондратенко С.В., Вакуленко О.В. // Вісник Київського Університету Серія: Фізико-математичні науки. - 2005. - В. 3. - С. 555-561.

2. Nikolenko A.S. Photoresponse in Ge/Si nanostructures with quantum dots / Nikolenko A.S., Kondratenko S.V., Vakulenko O.V. // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2006. - V. 9, № 1. - P. 32-35.

3. The lateral photoconductivity of Si/Ge structures with quantum dots / S.V. Kondratenko, S.L. Golovinskiy, A.S. Nikolenko, O.V. Vakulenko // Semicond. Sci. Technol. - 2006. - V. 21. № 6. - P. 857-859.

4. Optical and photoelectrical properties of GeSi nanoislands / Valakh M.Ya., Dzhagan V.M., Yukhymchuk V.O., Vakulenko O.V., Kondratenko S.V., Nikolenko A.S. // Semiconductor Science and Technology. - 2007. - V. 22. - P. 326-329.

5. Продольная фотопроводимость гетероструктур Ge/Si с квантовыми точками Ge / Кондратенко С.В., Николенко А.С., Вакуленко О.В., Головинский С.Л., Козырев Ю.Н., Рубежанская М.Ю., Водяницкий А.И. // ФТП. - 2007. - Т. 41. № 8. - C. 955- 958.

6. Photoconductivity spectra of Ge/Si heterostructures with Ge QDs / Vakulenko O.V., Kondratenko S.V., Nikolenko A.S., Golovinskiy S.L., Kozyrev Yu.N., Rubezhanska M.Yu., Vodyanitsky A.I. // Nanotechnology. - 2007. - V. 18. -P. 185401-185405.

7. Band offsets and photocurrent spectroscopy of Si/Ge heterostructures with quantum dots / Kondratenko S.V., Nikolenko A.S., Vakulenko O.V., Valakh M.Ya., Yukhymchuk V.O., Dvurechenskii A.V., Nikiforov A.I. // Nanotechnology. - 2008. - V. 19. - P. 145703-145707.

8. Вплив термічних відпалів на фотопровідність Si/Ge гетероструктур з квантовими точками / Ніколенко А.С., Кондратенко С.В., Вакуленко О.В., Юхимчук В.О. // Вісник Київського Університету Серія: Фізико-математичні науки. - 2008. - В.1. - С. 212-216.

9. Nikolenko A.S. Photovoltaic properties of nanostructured Ge on Si substrate / Nikolenko A.S., Vakulenko O.V., Kondratenko S.V. // V International Young Scientists Conference “Problem of Optics and High Technology Material Science”. October 28-31, 2004, Kyiv, Ukraine. Abstracts. - P.213.

10. Nikolenko A.S. Photoresponse in Ge/Si nanostructures with quantum dots / Nikolenko A.S., Vakulenko O.V., Kondratenko S.V. // VI International Young Scientists Conference “Problem of Optics and High Technology Material Science”. October 27-30, 2005, Kyiv, Ukraine. Abstracts. - P.196.

11. Optical absorption of SiGe structures with quantum dots / Nikolenko A.S., Vakulenko O.V., Kondratenko S.V., Kozyrev Yu.N., Rubezhanska M.Yu., Vodyanitsky A.I. // VII International Young Scientists Conference “Optics and High Technology Material Science”. October 26-29, 2006, Kyiv, Ukraine. Abstracts. - P.23.

12. Фотопровідність Si/Ge гетероструктур з квантовими точками / Ніколенко А.С., Вакуленко О.В., Валах М.Я., Головінський С.Л., Двуреченський А.В., Кондратенко С.В., Никифоров А.І., Юхимчик В.О. // III Українська конференція з фізики напівпровідників УНКФН-3. Червень 17-22, 2007, Одеса, Україна. Тези доповідей. - с. 89.

13. Band offsets and photocurrent spectroscopy of Si/Ge heterostructures with quantum dots / Nikolenko A.S., Kondratenko S.V., Vakulenko O.V., Valakh V.Ya., Yukhymchuk V.O., Dvurechenskii A.V., Nikiforov A.I. // VIII International Young Scientists Conference “Optics and High Technology Material Science”. October 25-28, 2007, Kyiv, Ukraine. Abstracts. - P.20-21.

14. Фотопроводящая спектроскопия Si/Ge гетероструктур с квантовыми точками / Вакуленко О.В., Валах М.Я., Двуреченский А.В., Кондратенко С.В., Никифоров А.И., Николенко А.С., Юхимчук В.А. // VIII Международный украинско-российский семинар “Нанофизика и Наноэлектроника”. Декабрь 7-8, 2007, Киев. Сборник тезисов. - с. 134.

АНОТАЦІЯ

Ніколенко А.С. Фотоелектричні властивості багатошарових SiGe гетероструктур з наноострівцями. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - оптика, лазерна фізика. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2008.

В дисертації викладено результати експериментальних досліджень спектральних розподілів фотопровідності та фото-ЕРС багатошарових гетероструктур з SiGe наноострівцями. Запропоновано теоретичну модель розрахунку зонної структури гетеропереходу SiGe-острівець/Si-оточення, яка дозволяє визначити можливі типи оптичних переходів та оцінити їх енергію. Для врахування компонентного складу, деформацій та геометричних розмірів острівців використано аналіз спектральних розподілів комбінаційного розсіяння світла та топограм поверхонь, отриманих з допомогою атомно-силової мікроскопії досліджуваних структур.

Встановлено, що в спектрах фотопровідності досліджуваних структур з наноострівцями спостерігаються непрямі в просторі переходи електронів з локалізованих станів валентної зони острівців в локалізовані стани зони провідності кремнієвого оточення та переходи між локалізованими станами валентної зони наноострівців та міжпідзонні переходи дірок з локалізованих станів валентної зони острівців в стани валентної зони змочувального шару та кремнієвого оточення. Проаналізовано вплив прикладеного електричного поля та термічного відпалу досліджуваних структур на форму спектрів фотопровідності.

Запропоновано використання шарів SiGe острівців, вбудованих в базу p-i-n структури, що дозволило значно підвищити фоточутливість в області непрямих в просторі міжзонних переходів.

Ключові слова. Гетероструктури, наноострівці, квантові точки, фотопровідність.

АННОТАЦИЯ

Николенко А.С. Фотоэлектрические свойства многослойных SiGe гетероструктур с наноостровками. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика, лазерная физика. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченка, Киев, 2008.

В диссертации изложены результаты исследований спектральных распределений фотопроводимости и фото-ЭДС многослойных гетероструктур с SiGe наноостровками. Для определения физической природы фотоэлектрических спектров и установления их связи с энергетической структурой исследуемых объектов разработано теоретическую модель расчета зонной структуры гетероперехода SiGe-островок/Si-окружение, которая позволяет определить возможные типы оптических переходов и оценить их энергию. Для учета компонентного состава, деформаций и геометрических размеров островков использован анализ спектральных распределений комбинационного рассеяния света и топограм поверхностей, полученных методом атомно-силовой микроскопии исследуемых структур.

Установлено, что в спектрах фотопроводимости структур с SiGe наноостровками n-типа наблюдаются непрямые в пространстве переходы электронов с локализированных состояний валентной зоны островков в локализированные состояния зоны проводимости кремниевого окружения. В структурах с островками p-типа наблюдаются переходы между локализированными состояниями валентной зоны наноостровков и межподзонные переходы дырок с локализированных состояний валентной зоны островков в состояния валентной зоны смачивающего слоя и кремниевого окружения.

Показано, что относительный вклад в поперечную фотопроводимость носителей заряда фотогенерированных вследствие непрямых в пространстве межзонных переходов возрастает при увеличении напряженности электрического поля обратного смещения структуры.

Установлено, что использование слоев SiGe островков, встроенных в базу p-i-n структуры, позволяет значительно увеличить фоточувствительность в области непрямых в пространстве межзонных переходов за счет возможности создания сильных электрических полей обратным смещением структуры. Высокое сопротивление i-области структуры позволяет выделить сигнал фотопроводимости от слоев SiGe островков в чистом виде. При этом соотношение между компонентой фототока в области непрямых в пространстве переходов и компонентой, обусловленной поглощением в Si окружении островков, с напряжением обратного смещения изменяется в широком динамическом диапазоне. Это открывает исключительные возможности для создания эффективных фотодетекторов с управляемой полосой фотоотклика на основе исследуемых структур.

В исследуемых структурах при высоких интенсивностях освещения в области непрямых в пространстве переходов наблюдалось явление отрицательной фотопроводимости, которое обусловлено захватом и локализацией фотовозбужденных электронов на границе гетероперехода SiGe-островок/Si-окружение при зарядке наноостровков дырками.

Термический отжиг структур с SiGe наноостровками приводит к повышению вероятности непрямых в пространстве межзонных переходов, а значит к увеличению величины фоточувствительности структур. Отжиг приводит также к уменьшению энергии межподзонных оптических переходов в валентной зоне наноостровков при участии локализированных состояний вследствие изменения формы и уменьшения глубины потенциальной ямы валентной зоны островков.

Спектральные исследования фотопроводимости многослойных гетероструктур с SiGe наноостровками указывают на принципиальную возможность создания эффективных приемников излучения с управляемой полосой фоточувствительности на основе исследуемых структур. При разработке таких фотоприемников следует учитывать неоднородный компонентный состав, распределение механических напряжений и геометрические размеры наноостровков.

Ключевые слова. Гетероструктуры, наноостровки, квантовые точки, фотопроводимость.

ABSTRACT

Nikolenko A.S. Photoelectrical properties of multilayer SiGe heterostructures with nanoislands. - Manuscript.

Thesis for the Candidate's of Science degree (Physics and Mathematics), field 01.04.05 - Optics, Laser physics. - Kyiv Taras Shevchenko National University, Kyiv, 2008.

Experimental results of photoconductivity and photo-EMF spectral dependences investigation of multilayer heterostructures with SiGe nanoislands are represented in the thesis. Theoretical model of SiGe-island/Si-surrounding heterojunction band structure calculation is suggested. The model enables determination of possible optical transition types and their energy estimation. Analysis of Raman scattering spectral dependences and atomic-force microscopy images of the investigated structures was used in order to take into account composition, deformations and sizes of nanoislands.

It is established that indirect in space electron transitions from localized states of nanoislands' valence band into localized states of silicon surrounding conductivity band, transitions between localized states of nanoislands' valence band and intraband hole transitions from localized states of nanoislands' valence band into states of wetting layer and silicon surrounding are observed. An effect of the applied electric field and thermal annealing of the investigated structures on the shape of photoconductivity spectra are analyzed.

Suggested using of SiGe nanoisland layers embedded into the base of p-i-n structure make it possible to increase considerably the photosensitivity in the range of indirect in space interband transitions.

Key words. Heterostructures, nanoislands, quantum dots, photoconductivity.

Размещено на Allbest.ru