Содержание к диссертации
Введение
1. Гетероструктуры на основе GaAs/AUGa^As 14
1.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия 14
1.2 Схема образования квантовых ям и энергетический спектр
двумерных дырок в гетероструктурах на основе GaAs/AIo.5Gao.sAs 18
1.2.1. Образование квантовых ям в гетероструктурах
p-GaAs/Alo.jGao.5As и 18
1.2.2 Спектр 2D дырок в гетероструктурах p-GaAs/AlojGao.sAs и
20
Влияние одноосного сжатия на спектр 2D дырок 23
Экспериментальное подтверждение развития анизотропии спектра 2D дырок в p-GaAs/Alo.sGao.5As
при приложении одноосного сжатия 28
1.3. Механизмы рассеяния двумерных носителей в гетероструктурах при
низких температурах 31
1.3.1. Кулоновское рассеяние назаряженных атомах
легирующей примеси 32
1.3.2. Кулоновское рассеяние назаряженных состояниях
вблизи гетерограницы 33
1.3.3. Рассеяние на акустическом деформационном потенциале 34
1.3.4 Пьезоэлектрическое рассеяние 34
1.3.5. Рассеяние на шероховатостях гетерограницы 35
1.4. Переход металл-диэлектрик в системе
двумерных носителей заряда 37
1.5 Глубокие уровни и фотопроводимость
в материалах на основе АШВ 41
1.5.1 DX-центры в материалах на основе n-Al^Gay.^As 41
EL2 центры в GaAs 43
Глубокие уровни в AUGa^As р-типа 44
Эффект положительной задержанной фотопроводимости 45
Отрицательная фотопроводимость 49
2. Методика эксперимента 51
2.1 Образцы 51
Методика изготовления образцов 53
Способ создания анизотропной деформации 54
Транспортные и магнитотранспортные измерения 56
Температурные измерения 58
Воздействие оптическим излучением 58
3. Низкотемпературная отрицательная
фотопроводимость в гетероструктурах с одиночной
гетерограницей p-GaAs/AI0.sGao.5As 62
Отрицательная фотопроводимость в p-GaAs/Ab-gGao^As 62
Транспортные свойства 2D дырок в p-GaAs/Alo.5Gao,sAs в условиях термоактивационной
отрицательной фотопроводимости 65
Температурное поведение сопротивления в структурах p-GaAs/Alo-jGacjAs 65
Концентрация и подвижность 2D дырок в состоянии
термоактивационной отрицательной фотопроводимости 67
3.2.3 Релаксационный процесс после выключения освещения. 70
3.3. Природа термоактивационной
отрицательной фотопроводимости 72
Переход металл-диэлектрик 72
Модель с глубокими до норо подобными уровнями на гетерогранице для термоактивационной
отрицательной фотопроводимости 74
3.3.2 Концентрация 2D дырок и величина
термоактивационного барьера Ев 76
Анализ подвижности 2D дырок в квантовой яме 80
Анализ релаксации отрицательной фотопроводимости в гетероструктурах p-GaAs/AlasGacsAs 85
3.4. Исследование влияния дополнительных
факторов на транспортные свойства
гетероструктуры p-GaAs/Alo.sGao^As (кроме давления) 89
Изменение длины волны освещения 89
Изменение интенсивности освещения 90
Исследование образцов с различной концентрацией 2D дырок в квантовой яме 92
Гашение релаксации отрицательной фотопроводимости 92
3.5. Некоторые замечания о возможных источниках глубоких
донороподобных центров вблизи гетерограницы 93
4. Отрицательная и положительная задержанная
фотопроводимость в гетероструктурах
с прямоугольной
квантовой ямой 95
4.1 Транспортные свойства Ю-дырок в условиях положительной
задержанной и отрицательной фотопроводимости 96
4.1.1. Релаксационный процесс после выключения освещения 96
4.1.2 Концентрация 2D дырок в состоянии отрицательной
и положительной задержанной фотопроводимости 99
4.2. Природа отрицательной и положительной задержанной
фотопроводимости 104
4.2.1 Модель отрицательной и положительной задержанной
фотопроводимости в As 104
Определение термоактивациоиного барьера Ев 106
Анализ положительной задержанной фотопроводимости. Термоактивационный барьер в; \ 109
4.3. Вероятный источник ловушек вблизи инвертированной
гетерограницы t 111
Основные выводы и результаты 112
Литература 114
Введение к работе
В связи с появлением технологий (молекулярно-лучевая эпитаксия с применением модулированного и 5-легирования), позволяющих изготавливать эпитаксиальные структуры с точностью до моноатомных слоев, закономерно возрос интерес к структурам на основе GaAs/AkGa/.xAs. Такие гетероструктуры обладают замечательной особенностью: при большой разнице ширины запрещенных зон в GaAs и AUGa^As они имеют очень близкие параметры решетки, а также упругие и термические коэффициенты. Это позволяет избежать значительных напряжений на границе раздела и нежелательных граничных состояний. На данный момент существуют образцы с очень высокой подвижностью двумерных (2D) носителей порядка 106 см2/(В-с) при температурах жидкого гелия.
Поскольку гетероструктуры GaAs/AUGa;-iAs находят широкое применение в оптоэлектронике, исследование их фотоэлектрических свойств является крайне важным. В настоящее время используются в основном гетероструктуры n-типа из-за более высокой подвижности 2D электронов. Однако ' применение гетероструктур р-типа весьма перспективно для производства компактных детекторов инфракрасного диапазона. В то время как в гетероструктурах n-типа из-за квантово-механических правил отбора межзонных переходов нормально падающее излучение не поглощается [1, 2, 3], в структурах р-типа из-за квантово-механического смешивания состояний лёгких и тяжёлых дырок оптические переходы разрешены и для нормального падения света[4, 5]. Это обстоятельство существенно упрощает изготовление детекторов инфракрасного диапазона на материале р-типа [5], так как в этом случае не требуется изготовление на их поверхности специальной решетки, способствующей поглощению нормально падающего излучения.
Вообще говоря, оптическое возбуждение выводит систему из состояния равновесия, а исследование переходных процессов может дать информацию о присутствии глубоких примесных центров. В полупроводниковых структурах и приборах на основе GaAs при определенных условиях наблюдаются эффекты захвата носителей, обусловленные наличием глубоких примесей и дефектов.
Эффекты захвата проявляются во всех транзисторах, диодах и источниках света на основе GaAs. Было показано, что глубокие донорные центры в n-AlxGay.jAs оказывают сильное влияние (вызывают гистерезис) на вольт-фарадные характеристики полевых транзисторов [6]. Явления захвата на глубокие уровни могут стать доминирующими при низких температурах. В GaAs они выражены ярче, чем в приборах на основе Si или Ge, поскольку GaAs является более широкозонным и, кроме того, бинарным полупроводником. Наиболее ярким проявлением эффектов захвата является связанная с глубокими DX-центрами задержанная фотопроводимость в GaAs/AkGaj^AsiSi.
В большинстве случаев именно наличие глубоких центров того или иного типа придает полупроводнику (полупроводниковой структуре) желаемые или, наоборот, нежелательные свойства. Поэтому с изучением глубоких центров (их физико-химической природы, энергетической структуры, свойств и методов контролируемого введения) во многом связано решение основной задачи полупроводникового материаловедения - создание полупроводниковых материалов и приборов с заданными свойствами.
Оптические и транспортные свойства гетероструктур в значительной степени определяются наличием гетерограницы. В то время как методики эпитаксиального роста позволяют выращивать отдельные слои гетероструктур ы практически без дефектов, на гетерогранице часто аккумулируются электронные и дырочные ловушки[7, 8]. Поверхностные состояния на гетерогранице или глубокие уровни, связанные с дефектами вблизи гетерограницы, привлекают внимание исследователей своим влиянием на характеристики устройств, изготовленных с применением гетероструктур[9,10].
В гетероструктурах возникновение дефектов может быть связано именно с наличием гетерограницы. Например, на границе двух материалов, имеющих сходную структуру, но отличающихся постоянными решеток, образуется сетка дислокаций, которые называются дислокациями несоответствия. Однако в случае GaAs/AUGa/.jAs различие постоянных решеток материалов слишком мало для возникновения таких дислокаций в обычно используемых слоях до 200 нм [II, 12]. В гетероструктурах AkGa^As/GaAs появление глубоких уровней может быть связано также с эффектами сегрегации и диффузии примеси [13, 14]. Наличие инвертированной гетерограницы в случае, когда слой GaAs напыляется методом молекулярно-лучевой эпитаксии на слой AlxGa;.*As также
увеличивает вероятность появления различных дефектов [15, 16].
На данный момент в отличие от материалов n-типа на основе GaAs проблема глубоких уровней в материалах р-типа недостаточно хорошо изучена. Как это имеет место в случае глубоких DX-центров и ряда других глубоких ловушек, именно характер фотопроводимости часто отражает их наличие в исследуемом материале. Поэтому данная работа посвящена всестороннему исследованию и анализу гетероструктур GaAs/AIo.jGao.sAs р-типа на предмет возможного существования вблизи гетерограницы глубоких уровней, наличием которых можно объяснить обнаруженные в настоящей работе явления; 1) термоактивированную отрицательную фотопроводимость в одиночных гетероструктурах GaAs/Alo-sGaojAs р-типа, существующую ниже 6 - 10 К; 2) отрицательную и положительную задержанную фотопроводимость в двойных гетероструктурах , которые также проявляются только в области температур ниже 100 К.
Актуальность диссертационной работы определятся тем, что поставленная в ней цель направлена на поиск моделей, объясняющих обнаруженные в ней новые эффекты низкотемпературной фотопроводимости с привлечением новейших представлений о глубоких центрах и кинетике захвата на них носителей заряда. С этой точки зрения она имеет как фундаментальное, так и важное прикладное значение, если учесть широкое использование гетероструктур на основе GaAs/AlrGaj.xAs в современной оптоэлектронике.
Цель работы В настоящей работе обнаружены новые явления термоактивированной отрицательной фотопроводимости и положительной задержанной фотопроводимости, существующей в области низких температур в гетероструктурах на основе GaAs/AfosGaajAs р-типа с акцепторной примесью Be в активном слое. Целью работы явилось построение и обоснование модели наблюдаемых явлений, в основе которой предполагается наличие глубоких ловушек вблизи гетерограницы. Общая задача настоящей работы состояла во всестороннем исследовании транспортных свойств гетероструктур на основе p-GaAs/Alo.5Gao.3As в условиях существования отрицательной и положительной фотопроводимости как при атмосферном давлении, так и при одноосном сжатии.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие
конкретные задачи:
Исследование эффекта отрицательной фотопроводимости в p-GaAs/Alo.sGaajAs при 1.7 К при освещении с переменной интенсивностью и различными длинами волн в красном и инфракрасном диапазонах.
Исследование температурных зависимостей сигнала Холла и сопротивления для определения концентрации и подвижности 2D дырок в квантовой яме в условиях существования отрицательной термоактивированной фотопроводимости у гетероструктур p-GaAs/AlcsGaojAs (освещение красным светодиодом с энергией фотона 1.96 эВ при температурах 1.7 *10 К).
Изучение переходных процессов в p-GaAs/Alo.jGao.5As после выключения освещения: релаксации концентрации 2D дырок к темновому состоянию.
Исследование влияния одноосной деформации на все исследуемые транспортные свойства у p-GaAs/AIo.jGao,5As в состоянии отрицательной фотопроводимости.
Исследование транспортных свойств 2D дырок в двойной гетероструктуре при освещении красным светодиодом в широком интервале температур 1.7 - 200 К.
Из анализа характерных особенностей концентрации и подвижности 2D дырок в условиях низкотемпературной фотопроводимости в исследуемых гетероструктурах создать адекватную модель наблюдаемых явлений.
Научная новизна работы и положения, выносимые на защиту. В
настоящей работе исследованы транспортные свойства гетероструктур на основе p-GaAs/Alo.jGao.5As при освещении в красном и инфракрасном диапазоне и температурах 1.7 * 20 К как при атмосферном давлении, так и в условиях одноосного сжатия, а также изучены переходные процессы после выключения освещения. Исследована также отрицательная и положительная задержанная фотопроводимость в двойных гетероструктурах в интервале температур 1.7 -ь 200 К.
В результате проведенных исследований в работе впервые;
Обнаружен термоактивационный характер отрицательной фотопроводимости в гетероструктурах p-GaAs/Alo.5Gao.5As, существующей ниже 6 К. Определена пороговая длина волны света Я = 750 нм, вызывающего явление отрицательной фотопроводимости.
Исследованы транспортные свойства (концентрация и подвижность) 2D дырок на гетерогранице p-GaAs/AIo.jGao.5As в условиях отрицательной термоактивационной фотопроводимости как при нормальном давлении, так и при одноосном сжатии до 4.6 кбар в интервале температур 1.7 ^20 К. Обнаружено, что приложение одноосного сжатия сильно увеличивает эффект термоактивации.
Показано, что отрицательная термоактивационная фотопроводимость в гетероструктурах p-GaAs/AVjGao.sAs хорошо описывается в модели глубоких донороподобных центров с малой величиной термоактивационного барьера, расположенных в спейсере на расстоянии 10 -5- 50 нм от гетеро границы. Согласно проведенному анализу, такими глубокими центрами наиболее вероятно являются диффундирующие из активного слоя межузельные атомы Be*.
Из температурной зависимости концентрации 2D дырок в квантовой яме в условиях отрицательной фотопроводимости, определена величина термоактивационного барьера Ев = 3 ± 0.5 мэВ, препятствующего возврату неравновесного электрона на ионизованный глубокий донороподобный уровень. Показано, что переходный процесс из состояния отрицательной фотопроводимости также описывается в модели с глубокими донороподобными центрами, а величина Ев = 2±0.3 мэВ практически совпадает со значением, определенным из температурной зависимости концентрации 2D дырок.
Установлено, что в пределах ошибки эксперимента ± 0.5 мэВ величина термоактивационного барьера не меняется при одноосном сжатии, тогда как сильное влияние последнего натермоактивационную отрицательную фотопроводимость связан с падением концентрации и подвижности 2D дырок.
Обнаружен эффект задержанной положительной фотопроводимости
после освещения красным светодиодом при гелиевой температуре
гетероструктуры . Задержанная
долгоживущая фотопроводимость, характерная для материалов n-типа, в гетероструктурах р-типа наблюдалась впервые. Исследована холловская концентрация 2D дырок в этой структуре в интервале температур 4.2 -J- 200 К как под освещением, так и после его выключения. Предполагается, что данный эффект обусловлен электронными ловушками с термоактивационным барьером Ев = 22 ± 2 мэВ, расположенными вблизи инвертированной гетерограницы.
Практическая ценность работы Обнаружение и анализ термоактивационной низкотемпературной отрицательной фотопроводимости в гетероструктурах на основе p-GaAs/AlxGa;.xAs:Be представляет не только фундаментальный, но и конкретный практический интерес для материаловедения. Показано, что это явление объясняется возникновением вблизи гетерограницы дефектов, которыми являются, скорее всего, диффундирующие из активного слоя атомы бериллия. Это ограничивает применение материалов GaAs/AlxGa.i.xAs р-типа, легированных бериллием, в оптоэлектронике, если они используются при низких температурах, например, в космической аппаратуре.
Апробация работы Результаты исследования, изложенные в
диссертации, докладывались и обсуждались на 10-й (HPSP X, Великобритания,
Гилфорд, 2002) и 11-й (HPSP XI, США, Беркли, 2004) Международных
конференциях по физике полупроводников при высоких давлениях;
Конференции Европейского общества по физике высоких давлений (EHPRG'42
and COST Action D30 Meeting, Швейцария Лозанна, 2004); 4-ой
Международной конференции «Наномитинг-2001» (Белоруссия, Минск, 2001); Международном симпозиуме «Физика и технология наноструктур» (Санкт-Петербург, 2002); 33-м Всероссийском совещании по физике низких температур (Екатеринбург, 2003); 2-ой Международной конференции по материаловедению и физике конденсированного состояния (Молдова, Кишинев, 2004); Международной конференции студентов-физиков (Дания, Оденсе,
2003); на 3-й, 4-й и 6-й Всероссийских молодежных конференциях по физике
полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике
(Санкт-Петербург, 2001, 2002, 2004 гг.); Международной научной
конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Россия, Москва, 2003); 8-й (Екатеринбург 2002), 9-й (Красноярск, 2003) и 11-й (Екатеринбург 2005) Всероссийских научных конференциях студентов-физиков и молодых ученых.
Части данного исследования были отмечены премией 2-ой степени на 3-й Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Россия, Санкт - Петербург, 2001), а также дипломом 2-ой степени на 11-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург 2005).
Публикации Содержание работы опубликовано в 6-й статьях в отечественных и зарубежных научных журналах, а также в трудах 16 Всероссийских и Международных научных конференций.
Статьи в реферируемых журналах:
Kraak W., Minina N.Ya., Savin A.M., Ilievsky A.A., Berman I.V., Sorensen C.B. Persistent photoconductivity in p-type Alo.5Gao.5As/GaAs/Alo.jGao,5As heterostructures. Nanotechnology 12, pp.577-580 (2001)
Краак В,, Минина Н.Я., Савин А.М., Ильевский А.А., Соренсен К.Б., Положительная задержанная фотопроводимость в двойных гетероструктурах р-типа. Письма в ЖТФ 28(72Л ее. 85-90 (2002)
Kraak W., Minina N.Ya., Ilievsky A.A., Sorensen СВ., Berman I.V. Thermoactivated conductivity in p-GaAs/Alo.sGao.jAs below 5K under combined influence of illumination and uniaxial stress, Phys.Stat.Sol.(b) 235(2;, pp.390-395 (2003)
Berman I.V., Bogdanov E.V., Ilievsky A.A., Minina N.Ya., Kraak W. Pressure dependence of 2D hole mobility in thermoactivated photoconductivity effect observed in p- GaAs/Alo.sGaasAs heterostructures. Phys.Stat.Sol.(b) 241(14), pp.3410-3415 (2004).
Н.Я. Минина, А,А. Ильевскии и В.Краак "Термоактивационная отрицательная фотопроводимость ниже 6 К в гетероструктурах p-GaAs/Alo.jGao.5As; влияние одноосного сжатия". Письма в ЖЭТФ 82(10), 734-740(2005)
Н.Б. Брандт, Е.В. Богданов, А.А. Ильевскии, В. Краак, Н,Я. Минина "Низкотемпературная фотопроводимость в квантовой яме p-Alo.jGao.jAs/GaAs/AIo.sGao.sAs с нормальной и инвертированной гетерограницами", Вестник Московского университета (принято в печать)
Тезисы докладов на конференциях:
1) Kraak W., Minina N.Ya., Savin А.М., Ilievsky A.A., Berman I.V. Persistent
photoconductivity in p-type Alo.sGao.sAs/GaAs/Ao,;Gao.jAs heterostructures. -
Proceedings of 9th International Symposium «Nanostructures: Physics and
Technology», St. Petersburg, Russia, June 18-22, 2001, pp. 499-501
2) Александров C.C., Ильевскии A.A., Минина Н.Я. Активационная
проводимость в p-GaAs/AlajGaajAs при комбинированном воздействии
освещения и одноосной деформации, - Третья всероссийская молодежная
конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и
наноэлектронике. Тезисы докладов. Санкт-Петербург, 5-8 декабря 2001
г., с. 42
Minina N.Ya., Savin А.М., Ilievsky A.A., Bogdanov E.V., Sorensen C.B., Kraak W. Negative and persistent positive photoconductivity in p-type . - Reviews and Short Notes to Nanomeeting-2001, Minsk, Belarus, May 22-25 2001, pp. 130-133
Ильевскии A.A., Минина Н.Я. Проявление термоактивационной проводимости в гетероструктурах p-GaAs/Alo^GaosAs под освещением. -Восьмая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых. Тезисы докладов, Екатеринбург, 29 марта - 4 апреля 2002 г., с. 186-187
Kraak W., Minina N.Ya., Savin A.M., Ilievsky A.A., Sorensen C.B., Berman I.V. Thermoactivated conductivity in p-GaAs/Alo.5Gao.jAs below 5 К under combined influence of illumination and uniaxial stress. - Tenth International Conference on High Pressure Semiconductor Physics. Great Britain, Guilford,
August 5-8 2002, Abstracts, p. Th03
Ильевский A.A,, Минина Н.Я. Термоактивационная проводимость и глубокие уровни вблизи гетерограницы в p-GaAs/AlasGaojAs. -Четвертая всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. Тезисы докладов. Санкт-Петербург, 3-6 декабря 2002 г., с. 28
Краак В., Богданов Е.В., Минина Н.Я., Ильевский А.А,, Соренсен К.Б. Фото индуцированная термоактив ируемая проводимость в р-GaAs/Alo,5Gao.;As ниже 5 К при одноосном сжатии, - В сб.: 33 Всероссийское совещание по физике низких температур. Тезисы докладов секций S и N: "Сверхпроводимость" и "Наноструктуры и низкоразмерные системы".Екатеринбург, 17-20 июня 2003, с.226-227
Minina,N.Ya., Ilievsky A. A. Negative photoconductivity in р-GaAs/Alo.sGao.jAs below 5K under illumination and uniaxial stress. -International Conference for Physical Students. Conference Handbook. Odence, Denmark. 7-14 of August 2003, pp.44-45
Ильевский A.A., Минина Н,Я. «Отрицательная фотопроводимость в p-GaAs/AlcuGao.sAs гетероструктурах при температурах ниже 5 К». Тезисы докладов секции «Материаловедение» международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», Москва, Россия, 15-18 апреля 2003г., часть 2, стр. 417
10)Ильевский А.А., Минина Н.Я. Долговременные релаксационные процессы в гетероструктурах p-GaAs/AlGaAs, индуцированные освещением при температуре ниже 5.5 К. - Девятая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых. Сборник тезисов, Красноярск, 28 марта-3 апреля 2003 г., т. 1, с. 163-164
11) Minina N.Ya., Bogdanov E.V., Savin A.M., Ilievsky A.A., Polyanskiy A.V. Magnetic breakdown in 2D hole system at GaAs/Afo.jGaajAs heterointerface. - Abstracts. 2nd Int. Conf. on Materials Science and Condensed Matter Physics. Chisinau. Moldova. September 21-26, 2004, p.217
12)Bogdanov E.V., Ilievsky A.A., Kraak W., Minina N.Ya. Photoconductivity in p- GaAs/Alo.jGao.3As and deep donor like states at the heterointerface. -Abstracts. 2" Int. Conf. on Materials Science and Condensed Matter Physics, Chisinau. Moldova. September 21-26, 2004, p.223
13)Berman I.V., Bogdanov E.V., llievsky A.A., МІпІпа N.Ya., Kraak W. Pressure dependence of 2D hole mobility in thermoactivated photoconductivity effect observed in p- GaAs/Alo.jGao.sAs heterostructures. Abstracts of HPSP XI, August 2-5, 2004, Berkeley, USA, p. 84
14)Kraak W., Savin A.M., Minina N., Ilievskiy A. Transformation of 2D hole Fermi surface and magnetic breakdown in p- GaAs/Alo.jGao.sAs heterostructures under uniaxial stress. - Abstractrs of EHPRG'42 and COST Acion D30 Meeting, Lausanne, Switzerland, September 1-4, 2004, p.53
15) Ильевский A.A., Минина Н.Я. О глубоких уровнях с малой величиной
термоактивационного барьера вблизи гетерограницы GaAs/AlGaAs. -
ВНКСФ-10, Сборник тезисов, 1-7 апреля 2004, Москва, ч.1, сс.423-425.
16) Ильевский А.А., Зайцев А.Н., Минина Н.Я. Глубокие уровни в
гетероструктурах p^Afo.sGaajAs/GaAs/AIo.sGao.jAs. - Шестая
Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и
полупроводниковой опто- и наноэлектронике. Тезисы докладов. Санкт-
Петербург, 6-Ю декабря 2004 г,, с.82.
