Перенос заряда в системе квантовых точек германия в кремнии Коптев, Евгений Сергеевич

Введение к работе

Актуальность темы.

Полупроводниковые гетероструктуры, включающие в себя квантовые ямы, нити и точки, являются предметом научного интереса большинства исследовательских групп в области физики полупроводников. Гетероструктуры дают возможность управления фундаментальными параметрами в полупроводниковых кристаллах и приборах: шириной запрещенной зоны, эффективными массами носителей и их подвижностями, показателем преломления, электронным энергетическим спектром и т.д. В конце XX века результаты исследований низкоразмерных гетероструктур и их прикладные применения привлекли интерес ученых к системам нулевой (наименьшей) размерности — квантовым точкам. В квантовых точках движение носителя заряда ограничено по трем координатам, а энергетический спектр является дискретным [1].

Актуальность исследования структур с квантовыми точками по сравнению с квантовыми ямами для практической реализации заключается в возможности управления спектральной полосой (цветом) излучения и фотоотклика путем заселения дискретных состояний с требуемой энергией переходов; в уменьшении пороговой плотности тока в диодных лазерах и в его высокой температурной стабильности; в снятии запрета на оптические переходы, поляризованные в плоскости фотоприемника, а значит, в возможности осуществить поглощение фотонов при нормальном падении света; в ожидаемом сильном увеличении времени жизни возбужденных носителей вследствие подавления рассеяния на LO-фононах, когда разница между дискретными уровнями в квантовых точках сильно отличается от энергии фонона; в наличии прямой аналогии между дискретным состоянием электрона в квантовой точке и дискретностью численных методов вычислений, позволяющих реализовать необычайно высокое быстродействие при обработке и продвижении информации в цепочках и массивах квантовых точек.

Широко распространенный метод формирования квантовых точек основан на эффектах самоорганизации в гетероэпитаксиальных системах. Упругие деформации в эпитаксиальной пленке и островках на ее поверхности являются ключевым фактором как в морфологическом переходе от плоской пленки к островковой (механизм Странского-Крастанова), так и в последующих изменениях размеров, формы и пространственного разделения островков. В последовательности происходящих в таких системах кинетических переходов важной является стадия формирования однородных по размеру, когерентных (не содержащих дефектов) трехмерных островков. Эффекты самоорганизации (упорядочения) заключаются в появлении в системе островков предпочтительных значений их характеристик: размеров, формы, расстояний между нанокластерами и их взаимного расположения. Происходящие процессы упорядочения связаны с минимизацией свободной суммарной энергии системы.

Одной из перспективных гетеросистем с самоформирующимися массивами наноостровков является система нанокластеров германия в матрице кремния, метод создания которой совместим с существующей кремниевой технологией изготовления приборов и схем. Научный и практический интерес к нанокластерам Ge в Si связан с 1) успехами в технологии получения однородного массива нанокластеров высокой плотности (> 10¹¹ см^-2); 2) возможностью уменьшения размеров нанокластеров до величин (~10 нм), обеспечивающих появление размерного квантования [2]. При этом система Ge/Si является гетероструктурой второго типа, в которой квантовые точки Ge являются потенциальным барьером для электронов и ямой для дырок, то есть, в них локализуются дырки. Дискретный спектр плотности состояний, а также высокая плотность массива квантовых точек позволяет при температурах ниже ~20 К наблюдать прыжковую проводимость дырок по локализованным состояниям квантовых точек [3]. Было установлено, что характер проводимости определяется дальнодействующим взаимодействием, формирующим кулоновскую щель в плотности состояний и описывается законом Эфроса- Шкловского [4].

Предпосылкой представляемой работы явилась наблюдаемая в гетеросистеме Ge/Si с квантовыми точками сильная по величине (до нескольких порядков) и немонотонная по характеру зависимость прыжковой проводимости и эффективного радиуса локализации носителей заряда от степени заполнения квантовых точек дырками [3]. Полученная зависимость является следствием дискретного энергетического спектра зоны локализованных состояний массива квантовых точек, что отличает ее от типичных неупорядоченных систем с прыжковой проводимостью.

Сильная зависимость радиуса локализации от фактора заполнения квантовых точек дырками и возможность его дальнейшего увеличения вариацией структурных параметров нанокластеров Ge, а также увеличение проводимости системы при увеличении радиуса локализации дает право ожидать в данной системе перехода от прыжкового к диффузионному транспорту. При этом возникает возможность экспериментально выявить вклад кулоновского взаимодействия в переходе от локализованного к делокализованному состоянию системы, что является актуальным вопросом перехода металл-диэлектрик в двумерных системах. Правильное металлическое состояние, экспериментально наблюдаемое в высокоподвижном двумерном электронном газе, связывают с наличием взаимодействия, увеличивающего делокализацию системы. Основная проблема установления параметров, определяющих переход, заключается в трудности отделения роли беспорядка от взаимодействия, поскольку практически единственным параметром, который варьируется при исследовании проводимости двумерного газа, является концентрация носителей заряда, влияющая на оба фактора. Система с квантовыми точками отличается тем, что позволяет менять не только концентрацию носителей заряда, но и структурные параметры квантовых точек, их размеры, форму и состав, а также плотность массива, что дает возможность в широком интервале варьировать беспорядок, интеграл переноса и взаимодействие.

Немонотонность зависимости проводимости от степени заполнения делает массив квантовых точек уникальным объектом для исследования релаксационных процессов по сравнению с типичными неупорядоченными системами с однородным спектром плотности состояний. До сих пор актуальным в этой области является вопрос, что играет главную роль в релаксационных явлениях: изменение концентрации или подвижности носителей заряда. Разный знак изменения подвижности и концентрации при возбуждении, в частности, при освещении, из-за немонотонной зависимости проводимости от числа заполнения квантовых точек дырками, и сильная зависимость проводимости от концентрации дырок в точках позволит определить относительный вклад концентрации и подвижности носителей заряда в процессы релаксации.

Актуальным является также проблема выявления роли кулоновского взаимодействия в процессах релаксации. В рассматриваемой системе, при заполнении, соответствующим большому радиусу локализации, возникает возможноть эффективно экранировать кулоновское взаимодействие введением металлической плоскости над слоем квантовых точек на расстоянии порядка длины прыжка, что в типичных неупорядоченных системах с малым радиусом локализации сделать не удается.

Сильная зависимость проводимости от степени заполнения позволяет также ожидать большого отклика при изменении заполнения квантовых точек возбуждением системы от внешних источников, в частности, при освещении. Тогда при уменьшении размеров системы до мезоскопических, когда не происходит самоусреднения характеристик по массиву квантовых точек, освещение должно приводить к большим величинам флуктуаций проводимости, что может служить основой создания детекторов малых потоков света.

Цель

Целью работы было экспериментальное исследование механизмов транспорта заряда в системе туннельно-связанных квантовых точек при вариации степени локализации системы.

Для достижения данной цели в работе были поставлены следующие задачи: 1. Провести исследования температурной зависимости проводимости, неомической проводимости и магнетосопротивления для двумерного массива туннельно-связанных квантовых точек с широкой вариацией степени локализации системы. На основе анализа полученных данных

установить механизмы переноса заряда, выявить главные параметры, определяющие режим транспорта. Установить роль кулоновских корреляций в изменении степени локализации системы.

1. Изучить нестационарные процессы в проводимости при возбуждении импульсами высокого напряжения и облучения светом. Установить механизм релаксации; определить роль кулоновского взаимодействия в замедлении/ускорении процесса релаксации. Определить относительный вклад концентрации и подвижности носителей заряда в процессы релаксации.

2. Провести исследование фотопроводимости в мезоскопических структурах с квантовыми точками, определить зависимость амплитуды и числа фотостимулированных флуктуаций от размеров и геометрии проводящего канала, а также от интенсивности света. Установить пределы детектирования слабых потоков света и определить параметры, определяющие его эффективность.

Научная новизна работы.

2. 1. Установлены границы проводимости для прыжкового и диффузионного транспорта в массиве квантовых точек германия в кремнии. Показано, что механизм транспорта является прыжковым по состояниям кулоновской щели при проводимости меньше 10^-2 е²/h, и диффузионным с квантовыми поправками при проводимости больше 0,4 е²/h. Экспериментально установлено, что вторым параметром, помимо беспорядка, определяющим близость к переходу металл-диэлектрик, является кулоновское взаимодействие.

   2. Обнаружено отрицательное магнетосопротивление в массиве квантовых точек с проводимостью вплоть до 3 X 10^-7 е²/h. Установлено, что отрицательное магнетосопротивление связано с подавлением магнитным полем квантовой интерференции внутри кластеров близко расположенных наноостровков.

   3. Обнаружена фотопроводимость при освещении массива квантовых точек, знак и величина которой зависит от исходного заполнения квантовых точек дырками. Кинетика фотопроводимости неэкспоненциальная и сопровождается эффектом остаточной фотопроводимости. Разработана модель фотопроводимости, в рамках которой показано, что основным механизмом фотопроводимости в массивах квантовых точек является изменение заполнения квантовых точек дырками в условиях пространственного разделения неравновесных носителей в массиве заряженных квантовых точек.

   4. Установлено, что кулоновское взаимодействие замедляет процессы релаксации проводимости в массивах квантовых точек. Показано, что при этом подавляются переходы с быстрыми скоростями и добавляются переходы с медленными.

   Практическая значимость

   Совокупность полученных результатов по транспорту заряда по плотному массиву квантовых точек позволила выявить закономерности, присущие переносу заряда в неупорядоченных системах с большим радиусом локализации; определить границы проводимости, разделяющие прыжковый и диффузионный транспорт. Полученные данные о закономерностях переноса заряда могут быть использованы для создания и прогнозирования работы различных электронных приборов, основанных на прыжковой проводимости, таких как одноэлектронные транзисторы, фотоприемники.

   Полученные данные о закономерностях фотопроводимости в сочетании с остаточной фотопроводимостью, являются основой для создания фотоприемника, чувствительного к малым потокам света, вплоть до регистрации отдельного фотона. Исследования мезоскопических флуктуаций фотопроводимости позволяют сформулировать требования к структуре фотоприемника для повышения его эффективности.

   Основные положения, выносимые на защиту:

   2. 4. 1. Электронный транспорт в плотном массиве квантовых точек в нулевом магнитном поле при проводимости G < 10^-2 е² /h подчиняется закономерностям, присущим двумерным системам с прыжковой проводимостью по состояниям кулоновской щели, а при G > 0,4 е²/h описывается диффузионной проводимостью с квантовыми поправками.

         2. Массив квантовых точек с проводимостью в нулевом магнитном поле в диапазоне проводимостей 3 X 10^-7 е²/ h^ 2,5 е²/h обладает отрицательным магнетосопротивлением, которое объясняется подавлением магнитным полем квантовой интерференции внутри кластеров близко расположенных наноостровков. Внутри кластеров осуществляется диффузионный транспорт, при этом квантовая интерференция ограничена не только длиной сбоя фазы, но и размером кластера.

         3. Массив туннельно-связанных квантовых точек характеризуется долговременной релаксацией проводимости после подачи на структуру импульса высокого напряжения (соответствующего неомическому режиму), что связывается с возбуждением носителей на высокоэнергетические состояния квантовых точек и последующей релаксацией их в условиях экспоненциально широкого спектра вероятностей переходов. Кулоновское взаимодействие подавляет переходы с высокими скоростями релаксации и добавляет переходы с малыми скоростями, приводя к замедлению процесса релаксации.

         4. Особенностью квантовых точек является знакопеременная прыжковая фотопроводимость с медленной кинетикой релаксации, обусловленная (при энергии фотонов больших ширины запрещенной зоны кремния) изменением заполнения квантовых точек дырками в условиях пространственного разделения неравновесных носителей в массиве заряженных квантовых точек.

         5. В мезоскопических структурах с квантовыми точками с размерами 70 — 200 нм наблюдаются гигантские флуктуации (до 70%) прыжковой проводимости при облучении малыми потоками света, обусловленные сильной зависимостью прыжковой проводимости от заполнения квантовых точек дырками.

         Апробация работы.

         Результаты работы докладывались на семинарах лаборатории 24 неравновесных полупроводниковых систем ИФП СО РАН, Четвертой международной конференции по полупроводниковым квантовым точкам (ICSQD, Шамони, Франция 2006), Международной конференции по физике полупроводников 2006 (ICSP, Вена, Австрия 2006), Всероссийской конференции по физике полупроводников 2007 (Екатеринбург 2007), Международной конференции по транспорту неупорядоченных систем 2007 (TIDS, Марбург, Германия 2007), Восемнадцатой международной конференции по электронным свойствам двумерных систем (Кобе, Япония 2009), Тринадцатой международной конференции «Транспорт в неупорядоченных взаимодействующих системах» (Рацкеве, Венгрия 2009), Девятой всероссийской конференции по физике полупроводников (Новосибирск-Томск 2009), Тридцатой международной конференции по физике полупроводников (Сеул, Республика Корея 2010), Восемнадцатой международной конференции «Квантовые точки» (Ноттингем, Великобритания 2010), Восемнадцатом международном симпозиуме «Наноструктуры: Физика и Технологии» (Санкт-Петербург, 2010), Восьмой международной комференции по передовым полупроводниковым устройствам и микросистемам (ASDAM, Смоленице, Словакия 2010), Четырнадцатой международной конференции по взаимодействующим и неупорядоченным системам (Акра, Израиль 2011 ), Шестой международной конференции по передовым материалам (Сингапур 2011), Русско- польском семинаре академий наук от нанотехнологиям (Варшава, Польша 2011), Конференции «Фотоника» (Новосибирск 2011), Десятой всероссийской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород 2011), Девятнадцатой уральской международной зимней школе по физике полупроводников (Екатеринбург-Новоуральск 2012), Двадцатой международной конференции по высоким магнитным полям (Шамони, Франция 2012).

         Личный вклад соискателя заключался в участии в постановке задачи, в активном участии в создании новых экспериментальных методик и усовершенствовании существующих, в активном участии в проведении экспериментов по исследованию электрофизических свойств массивов квантовых точек германия в кремнии, в анализе закономерностей транспорта по массиву квантовых точек. Проведение модельных расчётов для описания результатов экспериментов, интерпретация полученных результатов и написание статей проводились совместно с соавторами опубликованных работ.

         Публикации.

         По результатам проведенных исследований опубликовано 7 научных работ, список которых приведен в конце автореферата.

         Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 4 главы, введение, основные выводы по диссертации и заключение. Объем диссертации составляет 135 страниц, включая 62 рисунка и 2 таблицы. Список литературы содержит 75 наименований.

         Похожие диссертации на Перенос заряда в системе квантовых точек германия в кремнии

         

         Процессы переноса и захвата заряда в системе электролит-нитрид кремния-окисел-кремнийНабок, Алексей Васильевич

         

         Электронные явления в массивах квантовых точек германия в кремнииЯкимов Андрей Иннокентьевич

         

         Перенос носителей заряда в слоях пористого кремния с различной формой и поверхностным покрытием нанокристалловМартышов Михаил Николаевич

         Перенос заряда в МДП-структурах с двуокисью кремния, полученной при низких (100-400°С) температурахБелоусов, Игорь Иванович

         

         Механизмы переноса заряда в приёмниках рентгеновского излучения на основе кремнияБасаев Александр Сергеевич

         Перенос носителей и накопление заряда в МДИ структурах с аморфными диэлектриками на основе кремнияСиманович, Елена Владимировна

         

         Кинетические коэффициенты прыжкового переноса и плотность электронных состояний в неупорядоченных системах с сильной локализацией носителей зарядаПотапова Дарья Александровна

         

         Фотолюминесцентные свойства ионов эрбия в слоях твердых растворов кремний-германия и в структурах с кремниевыми нанокристалламиЖигунов Денис Михайлович

         Исследование примесных центров марганца, цинка и халькогенов в кремнии и твердых растворах кремний-германийМирсаатов, Равшанбек Муминович

         Исследование некоторых свойств компенсированных твердых растворов кремний-германий и приборных структур на их основеМатчанов, Нураддин Азадович