авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА 2013. Том 9. Юбилейный выпуск. С. 49–57

ФИЗИКА

УДК 621.383 :

539.231

ИОННО-ЛУЧЕВАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР InAs-QD/GaAs и Ge-QD/Si

ДЛЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Л.С. Лунин1, С.Н. Чеботарев1, А.С. Пащенко1, М.Л. Лунина1

© 2013 г.

Приведено краткое описание принципов работы фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) с промежуточной энергетической подзоной на основе гетероструктур с квантовыми точками. Представ лена эквивалентная электрическая схема таких фотоэлектрических преобразователей, учитывающая экспериментально наблюдаемые механизмы генерации и рекомбинации электронно-дырочных пар.

Разработан метод ионно-лучевой кристаллизации наногетероструктур InAs–QD/GaAs и Ge–QD/Si и исследованы их морфологические и люминесцентные свойства.

Ключевые слова: фотоэлектрические преобразователи с промежуточной подзоной, квантовые точки, ионно-лучевая кристаллизация.

ВВЕДЕНИЕ никового устройства на основе квантово-размер ных гетероструктур.

Полупроводниковые гетероструктуры являют- Целью предлагаемой работы является обобще ся основой эффективных электронных устройств ние результатов, полученных в ходе разработки [1]. Наблюдается интенсивный рост количества физико-технических основ ионно-лучевой крис таллизации нульмерных наногетероструктур для теоретических и экспериментальных работ, пос фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) с вященных методам получения, моделированию промежуточной подзоной.

и аналитическому исследованию свойств полу проводниковых нульмерных квантово-размерных структур, а также проблемам конструирования 1. ПРИНЦИП ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ полупроводниковых приборов на их основе. Ис- ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ пользование гетероструктур на квантоворазмер- С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ПОДЗОНОЙ ных эффектах открывает новые перспективы раз Особенностью ФЭП на квантоворазмерных ге вития наноэлектроники [2]. Внедрение квантовых тероструктурах является наличие промежуточной точек (КТ) в электронно-дырочный переход из энергетической подзоны. Фотоэлектрический пре меняет его зонную диаграмму путем образования образователь с промежуточной подзоной представ дополнительной энергетической подзоны, которая ляет собой многослойную структуру. Основное может использоваться для поглощения (фотопри отличие конструкции ФЭП с промежуточной под емники) или генерации (лазеры) дополнительных зоной от классического однопереходного ФЭП за фотонов с энергией меньше ширины запрещен ключается в наличии 10–30 слоев КТ, расположен ной зоны базового полупроводникового матери ных между n- и p-областями. Зонная энергетическая ала [3]. Управление токовыми характеристиками диаграмма ФЭП с промежуточной подзоной пока фотоприемников или эмиссионными свойствами зана на рисунке 1, где EG – ширина запрещенной лазеров можно осуществлять изменением состава зоны, EH и EL – ширина промежуточных подзон.

КТ, их геометрических размеров, взаимной ори В ФЭП с промежуточной подзоной фотоны с ентацией в вертикальносвязанных слоях, а также энергией меньше ширины запрещенной зоны ис поверхностной плотностью. Однако наиболее тех пользуются для генерации тока, являющегося до нологически управляемым параметром является полнительным к основному току, создаваемому в геометрический размер КТ, который определяет результате поглощения фотонов с энергией больше положение промежуточной подзоны полупровод ширины запрещенной зоны базового материала.

Существует несколько механизмов перехода элект Южный научный центр Российской академии наук, ронов из валентной зоны в зону проводимости через 344006, Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41, e-mail: chebotarev.ser промежуточную подзону. Независимо от механиз gei@gmail.com ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА 2013 Том 9 Юбилейный выпуск 50 Л.С. ЛУНИН и др.

промежуточной зоны в зону проводимости. Конеч ным результатом этих процессов для стационарно го случая является образование электронно-дыроч ной пары при поглощении двух фотонов. Отметим, что каждый из указанных процессов имеет обрат ные процессы – люминесценцию и оже-рекомби нацию.

Рассмотрим вопрос о предельном теоретическом КПД ФЭП с промежуточной подзоной. В 1997 г.

А. Лука [4], используя подход, сходный с пред ставлениями, предложенными в 1961 г. Шокли и Квайссером [5], на основе принципа детального равновесия получили значение КПД ФЭП с про Рис. 1. Зонная диаграмма ФЭП с промежуточной подзоной межуточной подзоной на основе гетеростуруктуры InAs–QD/GaAs, равное 63% при изотропном осве щении (концентрация 46 050 солнц) и температу ре Солнца 6000 К и Земли и 300 К. На рисунке представлен предельный КПД ФЭП с одной запре щенной зоной, равный 41%, рассчитанный Шокли и Квайссером (W. Shockley, H.J. Queisser) в тех же условиях.

Укажем, что оптимальный ФЭП с промежуточ ной подзоной должен иметь общую ширину запре щенной зоны порядка 1,95 эВ, которая разделена на две подзоны с ширинами запрещенной зоны 0,71 эВ и 1,24 эВ. Квазиуровни Ферми электронов в различных зонах располагаются вблизи границ зон. Поскольку напряжение любого ФЭП представ ляет собой разницу между квазиуровнем Ферми на Рис. 2. Зависимость КПД ФЭП с промежуточной подзоной от электроде, контактирующем с полупроводником ее ширины n-типа, и квазиуровнем Ферми на электроде, кон ма законы термодинамики требуют, чтобы процесс тактирующем с полупроводником p-типа, то мак перехода электрона из валентной зоны в зону про- симальная электродвижущая сила (ЭДС) ФЭП с водимости через промежуточную зону происходил промежуточной подзоной ограничена величиной с участием двух фотонов. Самый очевидный вари- 1,95 эВ, хотя он все еще способен поглощать фо ант заключается в последовательном поглощении тоны с энергией выше 0,71 эВ. Отметим, что одно двух фотонов с энергией меньшей ширины запре- переходные ФЭП не могут обеспечить напряжение щенной зоны, возбуждающих переход электрона большее, чем наименьшая энергия фотона, который из валентной зоны в промежуточную (процесс 1) и они способны поглотить. ФЭП с промежуточной с промежуточной в зону проводимости (процесс 2). подзоной могут обеспечить высокую фото-ЭДС, Процесс 3 определяет переход электрона из вален- поглощая два фотона с получением одного элект тной зоны в зону проводимости. рона высокой энергии.

Альтернативой указанным процессам является Идеальная модель ФЭП с промежуточной под механизм ударной ионизации, в котором энергия зоной описана в работе [4]. Позже в модель были электрона, возвращающегося из промежуточной включены неидеальные элементы, учитывающие зоны в валентную зону, используется для перехода взаимосвязь коэффициентов поглощения, эффек другого электрона из промежуточной зоны в зону ты ударной ионизации и оже-рекомбинации [6].

проводимости. Отметим, что для процесса удар- На рисунке 3 представлена эквивалентная схема ной ионизации также требуется два фотона: один ФЭП с промежуточной подзоной, учитывающая фотон, как и прежде, переводит электрон из вален- все эти эффекты.

тной зоны в промежуточную зону, другой фотон Идеальный ФЭП с промежуточной подзоной переводит электрон из промежуточной зоны в зону может быть описан эквивалентной схемой трех проводимости. Затем электрон из промежуточной каскадного ФЭП, показанной на рисунке 3 внутри зоны может вернуться обратно в валентную зону, прямоугольника. Элементы, расположенные правее передавая свою энергию посредством ударной ио- прямоугольника, учитывают процессы рекомбина низации другому электрону, который переходит из ции носителей заряда: безызлучательную, ударную ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА 2013 Том 9 Юбилейный выпуск ИОННО-ЛУЧЕВАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР Рис. 3. Эквивалентная схема ФЭП с промежуточной подзоной. J – общий ток, V – общее напряжение, JL,XY – фототоки, генериру емые при переходах из зоны Х в зону Y, DX,Y – токи насыщения диодов XY, JXY – токи, текущие через диоды XY, + – факторы a,b усиления тока, – – факторы ослабления тока;

X, Y – независимые индексы, принимающие значения: С – зона проводимости, a,b V – валентная зона, I – промежуточная подзона, K – процесс оже-рекомбинации, а и b – независимые индексы, принимающие значения CI, IV, CV согласно эквивалентной схеме и оже-рекомбинацию. При отсутствии безызлуча- осуществления процессов ионной очистки подлож ки и осаждения в едином технологическом цикле, тельной рекомбинации элементы, помеченные ко эффициентами XY,ZW, равны нулю и эквивалентная ± что в целом позволяет существенно снизить сто имость получаемых структур. В следующих раз схема значительно упрощается. Кроме того, если делах представлены результаты по выращиванию механизмы оже-рекомбинации и ударной иониза методом ионно-лучевой кристаллизации наногете ции пренебрежимо малы, то эквивалентная схема роструктур InAs–QD/GaAs [8,9] и Ge–QD/Si [10].

переходит в классическую схему трехкаскадного ФЭП. Расчет параметров эквивалентной схемы мо жет быть проведен только на основе эксперимен- ИОННО-ЛУЧЕВАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ тальных измерений фотолюминесценции, спект- НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР InAs-QD/GAAS ральных и вольтамперных характеристик образцов ФЭП с промежуточной подзоной. Выращивание наногетероструктур InAs-QD/GaAs Первые ФЭП с промежуточной подзоной были проводилось на специально сконструированной получены в 2004 г. на основе гетероструктур InAs– экспериментальной установке ионно-лучевого осаж QD/GaAs [6] и имели конструкцию, показанную дения, выполненной на базе стандартной росто на рисунке 1. Позже в работе [7] показано, что для вой камеры с двухуровневой вакуумной системой, создания ФЭП с промежуточной подзоной можно блока электропитания СЕФ-53М, источника ионов использовать гетероструктуры Ge–QD/Si. Для вы- КЛАН-53М, системы газоподачи и автоматической ращивания квантовых точек InAs на поверхности заслонки.

GaAs и Ge на поверхности Si чаще всего исполь- Для экспериментальных исследований исполь зуется молекулярно-лучевая эпитаксия в режиме зовались подложки арсенида галлия (100) n-типа, Странского–Крастанова, реже используют газо- подвергнутые предварительной стандартной об фазную эпитаксию. При всех несомненных досто- работке. Подложки GaAs, закрепленные в специ инствах этих методов выращивания они обладают альной кассете, помещались в ростовую камеру, находящуюся при давлении 10–3 Па, нагревались рядом недостатков. Сложное технологическое обо рудование и низкая производительность тормозят до рабочей температуры 550 °С и подвергались применение метода молекулярно-пучковой эпитак- предварительной очистке ионным пучком аргона сии при массовом производстве ФЭП с промежу- в течение 60 секунд. Затем подложки охлаждались точной подзоной. В методе газофазной эпитаксии до температуры T ~ 490 °C и проводился процесс отсутствует возможность непосредственного кон- ионно-лучевого осаждения арсенида индия со ско троля процесса осаждения нанослоев и формиро- ростью V ~ 0,8 нм/с.

вания КТ, кроме того, в этом методе используется Исследование топографии поверхности образ химически активная атмосфера, что создает оп- цов после осаждения арсенида индия проводили ределенные проблемы экологического характера. на атомно-силовом микроскопе Solver HV и скани Нами предложен альтернативный по отношению рующем электронном микроскопе Quanta 200. Для к молекулярно-лучевой и газофазной эпитаксиям идентификации области исследования образцов метод ионно-лучевой кристаллизации, который использовались специальные метки, выращенные электронно-лучевой стимуляцией по методу [11].

характеризуется использованием низкого вакуу Статистическое распределение размеров квантовых ма, высокой производительностью, возможностью ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА 2013 Том 9 Юбилейный выпуск 4* 52 Л.С. ЛУНИН и др.

возможности формирования методом ионно-луче вого осаждения гетероструктур с КТ.

Статистическое распределение размеров кван товых точек определялось с помощью программы Рис. 4. КТ InAs на подложке GaAs, полученные ионно-лучевой кристаллизацией: а – 3D АСМ-изображение КТ InAs/GaAs, б – СЭМ-изображение топографии КТ InAs/GaAs точек определялось с помощью специальной про граммы обработки результатов АСМ-исследования Image Analysis 2.1.2 инструментом Threshold.

Измерение фотолюминесценции проводилось в спектральном диапазоне от 950 до 1500 нм при тем пературе 300 К. В качестве источника возбуждаю щего оптического излучения использовался инжек ционный лазер c длиной волны 402 нм мощностью излучения 8,5 мВт. Фотодетектором служил гер маниевый фотодиод с рабочим спектральным диа пазоном длин волн от 0,5 до 2 мкм. Возбуждение фотолюминесценции осуществлялось со стороны верхнего слоя КТ InAs.

На рисунке 4 представлены СЭМ- и АСМ-изоб ражения поверхности наногетероструктур InAs– QD/GaAs, сформированных на предварительно очищенной ионами аргона подложке GaAs. Эффек тивная толщина смачивающего слоя InAs в данной структуре составляла ~10 нм. На снимках видны трехмерные островки InAs в виде квантовых точек и нанокластеров. По данным АСМ-изображений Рис. 5. Статистическое распределение квантовых точек и на латеральные размеры отдельных КТ составляют нокластеров InAs по размерам: а – обработанное АСМ-изоб ~20 нм, а высота ~5 нм, что соответствует разме- ражение поверхности с помощью инструмента Threshold, рам КТ InAs в матрице GaAs и свидетельствует о б – гистограмма распределения по размерам ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА 2013 Том 9 Юбилейный выпуск ИОННО-ЛУЧЕВАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР обработки результатов АСМ-исследования Image Analysis 2.1.2 инструментом Threshold. Эта про грамма позволяет автоматически определять не однородности на поверхности АСМ-изображений (в данном случае это квантовые точки и наноклас теры InAs) и отображать их в виде карты распреде ления (см. рис. 5а).

По данным обработанного АСМ-изображения построена гистограмма распределения выявлен ных морфологических неоднородностей, представ ленная на рисунке 5б. Из гистограммы видно, что на исследованном участке размером 25 25 мкм образовалось около 380 квантовых точек с разме рами менее 35 нм. Также имело место при данных экспериментальных условиях формирование на- Рис. 6. Характерный спектр фотолюминесценции наногете нокластеров InAs с размерами от 50 до 100 нм. При роструктуры InAs–QD/GaAs, полученной ионно-лучевой крис таллизацией этом их количество на указанном выше участке не превышало 120 штук. Анализ статистических дан ных позволил оценить поверхностную плотность КТ InAs, которая достигает порядка 105 шт/мм2.

На рисунке 6 представлен характерный спектр фотолюминесценции (T = 300 K) наногетерос труктуры InAs–QD/GaAs, полученный методом ионно-лучевой кристаллизации. Полоса спектра фотолюминесценции образована тремя пиками с максимумами PL1, PL2, PL3. Пик PL3 соответству ет краю собственного поглощения арсенида галлия, что указывает на проникновение возбуждающего излучения в подложку GaAs и возбуждение в нем межзонной фотолюминесценции. Малая величина интенсивности пика PL3 по сравнению с интенсив ностями пиков PL1 и PL2, по-видимому, объясня ется двумя причинами. Во-первых, только малая часть возбуждающего излучения достигает облас ти n-GaAs;

во-вторых, это может быть обусловлено высокой скоростью процесса безызлучательной ре комбинации на границе слоя GaxIn1–xAs и подложки Рис. 7. Энергетическая зонная диаграмма наногетерострукту GaAs.

ры InAs–QD/GaAs при термодинамическом равновесии. IIR – Пик PL2 образован в результате излучательной поток падающего монохроматического излучения = 402 нм;

рекомбинации в слое GaxIn1–xAs. В соответствии с EC – дно зоны проводимости;

EV – потолок валентной зоны;

[11] ширина запрещенной зоны нелегированного EF – уровень Ферми;

Eg1 – ширина запрещенной зоны GaAs;

Eg2 – ширина запрещенной зоны твердого раствора;

GaxIn1–xAs;

слоя твердого раствора GaxIn1–xAs при T = 300 К EC, EV – разрыв в зоне проводимости и валентной зоне соот определяется как Eg = 0,36 + 0,63x + 0,43x2 эВ. При ветственно;

E1, E2 – дискретные уровни, образованные КТ InAs x = 0,64 ширина запрещенной зоны Eg становится в зоне проводимости квантовой ямы GaxIn1–xAs;

d – ширина об равной 0,94 эВ, что хорошо согласуется с энергией ласти пространственного заряда в GaAs;

I–VII – см. текст излучения фотолюминесценции для пика PL2.

Пик фотолюминесценции PL1 имеет большую интенсивность, а также смещение в коротковол- Рассмотрим энергетическую зонную диаграмму новую область спектра относительно пика PL2 на структуры i-GaxIn1–xAs/n-GaAs, представленную на E 200 мэВ. По нашему мнению, это связано с рисунке 7 в термодинамическом равновесии. При наличием дискретных уровней в квантовой яме фотовозбуждении высокоэнергетическим монохро GaxIn1–xAs, образованных квантовыми точками матическим светом IIR (Incident Radiation) c энер InAs. Большая полуширина PL1 обусловлена на- гией фотона больше ширины запрещенной зоны личием квантовых точек, имеющих дисперсию по материала в два и более раз могут образовываться размерам. новые пары носителей заряда. Такие носители заря ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА 2013 Том 9 Юбилейный выпуск 54 Л.С. ЛУНИН и др.

да с избыточной энергией создают дополнительные Как отмечалось выше, часть монохроматическо пары неравновесных носителей e––h+ в результате го излучения проникает в область широкозонного полупроводника и генерирует пары носителей за ударной ионизации. При поглощении высокоэнер ряда (процесс VI), которые по истечении времени гетического фотона h = 3 эВ из валентной зоны жизни рекомбинируют с излучением (процесс VII).

твердого раствора GaxIn1–xAs генерируется пара носителей заряда e––h+ (процесс I). Избыток энер- Однако в данном случае наблюдается одна особен ность. На измеренном спектре фотолюминесцен гии может быть израсходован либо на образование ции нами не обнаружена примесная люминесцен новой пары носителей заряда, либо на передачу ция, которая могла осуществляться через мелко энергии кристаллической решетки в виде тепла лежащие донорные уровни. Это, вероятно, обус (процесс II).

ловлено тем, что процесс фотовозбуждения лю Если длина свободного пробега Ld носителей за минесценции структур проводился при комнатной ряда меньше толщины фронтальной области, то но температуре и рекомбинация проходила по меж сители рекомбинируют безызлучательно, не достиг зонному механизму.

нув квантовой ямы. В случае, если Ld сопоставима с размерами фронтальной области либо больше ее, то носители вследствие диффузии (процесс III), а ИОННО-ЛУЧЕВАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ затем дрейфа достигают квантовой ямы. Та часть НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР Ge–QD/Si носителей заряда, энергия которых совпадает со значениями дискретных уровней, образованных КТ, Гетеросистема германий – кремний привлекает в квантовой яме захватывается КТ, и по истечении внимание исследователей и технологов ввиду зна времени жизни они рекомбинируют с излучением чительных успехов в создании светоизлучающих и (процесс IV). В результате этого процесса наблю- фотоприемных устройств на квантовых эффектах, дается фотолюминесценция одиночной квантовой конкурирующих с традиционными оптоэлектрон точки с определенными размерами, которая вносит ными материалами A3B5. Квантовые эффекты про вклад в общий пик фотолюминесценции PL1, обра- являются в объемных (3D) полупроводниковых на зованный суммарной фотолюминесценцией масси- нокластерах c размерами от 1 до 30 нм. Образование ва разноразмерных квантовых точек. нанокластеров обусловлено тем, что в гетеросисте Мы предполагаем, что в квантовой яме накапли- мах с рассогласованием параметров кристалличес ваются два типа электронов: 1) фотогенерирован- ких решеток 2% происходит не эпитаксиальный ные;

2) электроны, перешедшие из широкозонной рост пленок, а наблюдается самоорганизованный области по баллистическому механизму. До вырав- релаксационный переход упругонапряженных сло нивания уровня Ферми широкозонного полупро- ев в массив нанокластеров.

водника с уровнем Ферми узкозонного твердого В большинстве случаев формирование наноклас раствора GaxIn1–xAs часть электронов из тонкого теров происходит по механизму Странского–Крас приграничного слоя n-GaAs переходит в квантовую танова: вначале происходит послойный рост и пос яму образованную твердым раствором GaхIn1–хAs ле достижения критической толщины формируются по баллистическому механизму. На месте выбыв- нанокластеры. Однако на некоторых поверхностях ших электронов остаются истощенные примесные (например окисленной поверхности кремния) на уровни, в приграничной зоне гетероперехода воз- блюдается рост нанокластеров по механизму Фоль никает область пространственного заряда d. В ре- мера–Вебера – формирование объемных нанострук зультате концентрация электронов в квантовой яме тур без образования промежуточного слоя.

NQW (Quantum Well) становится больше на вели- В предыдущем разделе экспериментально пока чину, равную концентрации перешедших электро- зана возможность ионно-лучевой кристаллизации нов nbal (ballistic) по баллистическому механизму, квантовых точек InAs на поверхности GaAs. В этом и может быть оценена как NQW = nph + nbal, где nph разделе будет продемонстрирована возможность (photo) – концентрация фотогенерированных элек- получения ионно-лучевой кристаллизацией нано тронов, nbal – концентрация электронов, перешед- гетероструктур Ge–QD/Si и исследование темпера ших из широкозонной области по баллистическому турной зависимости структурных переходов Ge на механизму. Такие электроны образуют в квантовой Si(001).

яме электронный газ, концентрация которого будет Синтез нанокластеров германия на кремнии определяться положением уровня Ферми. Наличие проводился в установке ионно-лучевой кристал потенциальных барьеров создает сильное двухсто- лизации, выполненной на базе стандартной росто роннее ограничение носителей заряда. По истече- вой камеры с двухуровневой вакуумной системой нии времени жизни носители рекомбинируют с из- и источника ионов КЛАН-53М. Начало процесса лучением по межзонному механизму (процесс V). нанесения материала на подложку и его заверше ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА 2013 Том 9 Юбилейный выпуск ИОННО-ЛУЧЕВАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР ние регулировалось молибденовым стоп-экраном, вводимым в область между мишенью и подлож кой. В экспериментах использовали германиевые и кремниевые мишени в виде монокристалличес ких пластин, закрепленные в подвижном молиб деновом держателе револьверного типа. Процесс массопереноса при ионно-лучевой кристаллизации состоит из трех этапов: а) выбивание атома мише ни бомбардировкой ионами, б) трансфер атома от мишени к подложке, в) появление адатома на под ложке. В связи с тем что в гетеросистеме Ge/Si на начальных стадиях формируется не пленка, а на нокластеры различной формы, параметр “толщина слоя” dGe является весьма условным и определяется произведением экспериментальной скорости роста VGe на время проведения процесса ионно-лучевой кристаллизации.

Подложками служили пластины кремния (001) с разориентацией менее 0,5°. Для удаления пара зитных слоев окисла кремния, углероводородов и Рис. 8. Температурная зависимость структурного состояния Ge на поверхности Si(001) адсорбированных паров воды с целью получения атомарно-чистой поверхности использовалась методика очистки подложки при температуре по- В гетеросистеме Ge/Si(001) при увеличении рядка 800 °C, предложенная Ишизаки. Подложки эффективной толщины dGe наносимого слоя гер кремния обезжиривались. Естественный окисел мания наблюдались эволюционные структурные снимался в плавиковой кислоте. На поверхности переходы. Экспериментально параметр dGe менял кремния химическим способом создавался пас ся временем ионно-лучевой кристаллизации при сивирующий слой двуокиси кремния толщиной неизменной скорости процесса VGe. На начальной 2–3 нм. После сушки подложка помещается в рос стадии кристаллизация германия на кремнии шла товую камеру. Нагрев подложки с защищенным по двумерно-слоевому механизму с образовани окислом в ростовой камере при 800 °С в течение ем сплошного механически напряженного слоя.

10 мин приводит к восстановлению SiO2 до мо Во всех температурных режимах при достижении ноокиси кремния, которая десорбирует с поверх критической толщины dкр~(3±1) MC формировался ности. Углеводороды десорбируют на начальном массив hut-нанокластеров.

этапе нагрева без образования карбидных частиц, Увеличение эффективной толщины кристаллизу являющихся центрами образования структурных ющегося германия приводит к эволюционной транс дефектов. После предэпитаксиальной подготовки формации hut-нанокластеров в dome- и superdome на поверхности Si(001) формируется сверхструк наноструктуры. Dome- и superdome-нанокластеры тура, характерная для этого типа подложки. Для имеют дополнительные грани. Последней стадией создания активной поверхности кремния предва эволюции структуры германия на Si(001) является рительно наращивается тонкий буферный слой образование трехмерных пластически деформиро нелегированного кремния толщиной 15–20 нм при ванных островков с дислокациями несоответствия температуре подложки 650 °С.

на границе раздела с подложкой.

На подготовленные подложки Si(001) при темпе На рисунке 8 представлена температурная за ратурах 350, 450 и 550 °С ионно-лучевой кристал висимость эволюции структуры Ge от эффектив лизацией наносили германий при различном вре ной толщины dGe (времени кристаллизации t).

мени процесса: начиная с 20 с (~3 MC) до 80 с Экспериментальные точки показаны в виде треу (~12 MC). Для каждой температуры получено по гольников (hut-нанокластеры) и усеченных пяти семь образцов Ge/Si с различным значением dGe.

угольников (dome-нанокластеры). Серые линии Морфологию поверхности образцов Ge/Si(001) определяют границы области существования hut исследовали на сканирующем электронном микро нанокластеров при ионно-лучевой кристаллиза скопе Quanta 200 и высоковакуумном атомно-сило ции германия на Si(001) в температурном диапа вом микроскопе Solver HV в полуконтактном режи зоне (350–550) °С при постоянной скорости роста ме при температуре 20 °С и остаточном давлении в рабочих камерах микроскопов не ниже 10–3 Па. VGe = (8,9±0,4) MC/мин.

ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА 2013 Том 9 Юбилейный выпуск 56 Л.С. ЛУНИН и др.

Интерес к получению hut-нанокластеров герма- нанокластеры Ge при скорости осаждения VGe = (8,9 ± 0,4) MC/мин в температурном интерва ния обусловлен наличием в них дискретных состо ле T = (350–550) °С. Установлено, что повышение яний энергии носителей заряда. Иными словами, температуры подложки кремния увеличивает лате только hut-нанокластеры могут быть использованы ральные размеры нанокластеров hut-типа с 20 нм для создания устройств нано- и оптоэлектрони до 70 нм и практически не сказывается на среднем ки на основе гетероструктур Ge/Si с квантовыми отношении высоты к латеральному размеру осно точками. При температуре 350 °С ширина облас вания hut-нанокластера. Интервал существования ти формирования hut-нанокластеров при ионно hut-нанокластеров германия на Si(001), получен лучевой кристаллизации максимальна – от 3 до ных ионно-лучевой кристаллизацией, сужается с 11 MC. Размеры hut-нанокластеров увеличивались ростом температуры с 8 MC (T = 350 °C) до 3 MC с 20 (dGe ~ 3 MC, t = 20 с) до 70 нм (dGe ~ 11 MC, (T = 550 °C).

t = 80 с). Повышение температуры подложки спо собствует усилению поверхностной диффузии адатомов германия, что приводит к структурно- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ му переходу от hut-структуры к dome-структуре при меньших толщинах: dGe ~ 7 MC (T = 450 °C), 1. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводнико dGe ~ 5 MC (T = 550 °C). вых гетероструктур // Физика и техника полупровод ников. 1998. Т. 32. Вып. 1. С. 3–17.

2. Леденцов Н.Н., Устинов В.М., Щукин В.А., Копь ЗАКЛЮЧЕНИЕ ев П.С., Алферов Ж.И., Бимберг Д. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазе Описаны принципы работы фотоэлектрического ры // Физика и техника полупроводников. 1998. Т. 32.

преобразователя с промежуточной энергетической Вып. 4. С. 385–410.

подзоной на основе гетероструктур с квантовыми 3. Weisbuch C., Vinter B. Quantum Semiconductors точками. Представлена эквивалентная электричес- Structures, Fundamentals and Applications. San Diego:

кая схема такого фотоэлектрического преобразова- Academic, 1991. 218 p.

4. Luque A., Mart A. Increasing the efciency of ideal теля, учитывающая излучательную рекомбинацию, solar cells by photon induced transitions at intermediate ударную ионизацию и Оже-рекомбинацию.

levels // Phys. Rev. Lett. 1997. P. 5014–5017.

Ионно-лучевой кристаллизацией выращены на 5. Shockley W., Queisser H.J. Detailed balance limit of ногетероструктуры InAs–QD/GaAs для фотоэлек efciency of p–n junction solar cells // J. Appl. Phys.

трических преобразователей с промежуточной 1961. Vol. 32. P. 510–519.

подзоной. Методами сканирующей зондовой мик- 6. Luque A., Mart A., Stanley C. et al. General equivalent роскопии исследована морфология поверхности circuit for intermediate band devices: potentials, currents выращенных наногетероструктур. Обнаружено на- and electroluminescence // J. Appl. Phys. 2004. Vol. 96.

личие квантовых точек и нанокластеров InAs с пла- P. 903–909.

нарными размерами от 20 до 100 нм и высотой от 5 7. Kechiantz A.M., Sun K.W., Kechiyants H.M. & Kocha ryan L.M. Selfordered Ge/Si quantum dot intermediate до 80 нм. Средняя поверхностная плотность кван band photovoltaic solar cells // Int. Sci. J. Alt. Energ.

товоразмерных объектов InAs размером до 35 нм Ecol. 2005. Vol. 12. P. 85–87.

составила 105 шт/мм2. Исследована фотолюминес 8. Лунин Л.С., Сысоев И.А., Алфимова Д.Л., Чебота ценция наногетероструктур InAs–QD/GaAs. Спектр рев С.Н., Пащенко А.С. Исследование фоточувстви фотолюминесценции содержит три характерных тельных гетероструктур InAs/GaAs с квантовыми пика. Уширенный пик PL1 (h = 1,1 эВ) соответс- точками, выращенных методом ионно-лучевого осаж твует излучению массива разноразмерных кванто- дения // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные вых точек InAs. По пику фотолюминесценции PL2 и нейтронные исследования. 2011. № 6. С. 58–62.

(h = 0,94 эВ) определен состав твердого раствора 9. Лунин Л.С., Сысоев И.А., Алфимова Д.Л., Чебота i-GaxIn1–xAs, соответствующий x = 0,64. Пик фото- рев С.Н., Пащенко А.С. Фотолюминесценция гете роструктур i-GaxIn1–xAs/n-GaAs со стохастическим люминесценции PL3 соответствует краю собствен массивом квантовых точек InAs // Неорганические ного поглощения подложки n-GaAs. Обсуждаются материалы. 2011. Т. 47. № 8. С. 907–910.

особенности фотовозбуждения люминесценции в 10. Лунин Л.С., Чеботарев С.Н., Пащенко А.С., Луни полученных структурах. Показано, что в квантовой на М.Л. Ионно-лучевая кристаллизация нанокласте яме Ga0,64In0,36As помимо фотоиндуцированных ров Ge на Si(001) // Вестник Южного научного цент электронов могут накапливаться электроны, пе- ра РАН. Т. 8. № 2. 2012. C. 21–27.

решедшие из тонкого приграничного слоя GaAs в 11. Лозовский В.Н., Чеботарев С.Н., Ирха В.А., Ва квантовую яму, за счет баллистического переноса. лов Г.В. Получение и использование позиционных Ионно-лучевой кристаллизацией на поверх- меток в сканирующей зондовой микроскопии // ности Si(001) получены hut-, dome- и superdome- Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36. Вып. 16. С. 12–17.

ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА 2013 Том 9 Юбилейный выпуск ИОННО-ЛУЧЕВАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР ION-BEAM CRYSTALLIZATION OF InAs-QD/GaAs AND Ge-QD/Si NANOHETEROSTRUCTURES FOR PHOTOVOLTAIC CONVERTERS L.S. Lunin, S.N. Chebotarev, A.S. Pashchenko, M.L. Lunina The brief description of operation principles of intermediate band photovoltaic converters based on quantum dot heterostructures is given. The model of the operation intermediate band photovoltaic converters, incorporating experimental mechanisms of generation and recombination of electron-hole pairs, is presented in an equivalent circuit form. The method of ion-beam crystallization of InAs-QD/GaAs and Ge-QD/Si nanoheterostructures has been developed and their morphological and luminescent properties have been investigated.

Key words: intermediate band photovoltaic converters, quantum dots, ion-beam crystallization.

ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА 2013 Том 9 Юбилейный выпуск

 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.