Электронный транспорт в гетероструктурах InAs/GaAs с квантовыми точками

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Международный Научный Институт & quot-Educatio"- II (9), 2015
49
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
• алгоритм на базе МРЧ показал высокую эффективность поиска глобального экстремума, т.к. время реализации одного опыта составляет в среднем 6,25E-01 с, а для нахождения решения близкого к экстремуму с вероятностью 0,999 достаточно проведения 6−7 параллельных опытов, на которые уйдет порядка 4 секунд-
• методика настройки МРЧ на выбранную предметную область и решаемую в ней задачу весьма
результативна и перспективна, например, в приведенном исследовании показатели точности работы были улучшены в 1,56E+07 раз, при этом затраты на решение задачи составили 1,44E+04 опытов с общим ресурсом 2,5 часа-
таким образом, соотношение затрат на параметрическую настройку алгоритма и его работу на задачу в субоптимизированном варианте составляет всего 2250, что вполне окупается при его многократном дальнейшем использовании.
7,451Е-09
Рис. 2. Результаты функции Розенброка при лучших найденных параметрах, логарифмическая шкала
Список литературы
1. Метод роя частиц [Электронный ресурс] - Режим доступа. — URL: [https: //m. wikipedia. org/wiki/Ме-тод роя частиц]
2. Маккаффри Дж. Метод роя частиц [Электронный ресурс] - Режим доступа. — URL: [https: //msdn. microsoft. com/ru-ru/magazine/hh3 35 067. aspx]
3. Спирина А. В. Исследование эффективности ра-
боты алгоритма // Молодёжь и наука: Сборник материалов VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, посвященной 155-летию со дня рождения К. Э. Циолковского, Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2012 [Электронный ресурс] - Режим доступа. — URL: [http: //elib. sfu-kras. ru/bitstream
/2311/7491/1/s021 -050. pdf]
4. Нейдорф Р. А., Деревянкина А. А. Решение многоэкстремальных задач методом делящихся роев //
Известия Южного федерального университета. Технические науки, В. № 7/108, 2010
5. Rosenbrock H.H. «An automatic method for finding the greatest or least value of a function». The Computer Journal 3
6. Гайдадин А. Н., Ефремова С. А. Применение полного факторного эксперимента при проведении исследований, Метод. указания. — Волгоград: ВолгГТУ, 2008
7. Аоки М. Ведение в методы оптимизации. М.: Наука. 1977
8. Васильев Ф. П. Методы оптимизации / Ф. П. Васильев. — Факториал Пресс, 2002
9. Гришин А. А, Карпенко А. П. Исследование эффективности метода пчелиного роя в задаче глобальной оптимизации // Наука и образование. — 2010. -№ 08
ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСПОРТ В ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ INAS/GAAS С КВАНТОВЫМИ
ТОЧКАМИ
Пащенко Александр Сергеевич Чеботарев Сергей Николаевич
Старшие научные сотрудники Южного научного центра Российской академии наук, г. Ростов-на-Дону
Старший научный сотрудник ООО СКТБ «ИНВЕРСИЯ», г. Ростов-на-Дону
Ирха Владимир Александрович
Ведущий инженер ООО СКТБ «ИНВЕРСИЯ», г. Ростов-на-Дону
ELECTRON TRANSPORT IN InAs/GaAs HETEROSTRUCTURES WITH QUANTUM DOT
Pashchenko Alexander, Senior Researcher in Southern Scientific Center, Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don
Международный Научный Институт & quot-Educatio"- II (9), 2015
50
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
Senior Researcher in Ltd SKTB «INVERSIYA», Rostov-on-Don
Chebotarev Sergei, Senior researcher in Southern Scientific Center, Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don
Senior Researcher in Ltd SKTB «INVERSIYA», Rostov-on-Don
Irkha Vladimir, Leading engineer in Ltd SKTB «INVERSIYA», Rostov-on-Don
АННОТАЦИЯ
Исследован электронный транспорт в гетероструктурах InAs/GaAs с квантовыми точками (КТ), полученных ионно-лучевой кристаллизацией (ИЛК). Установлено, что при 300 К доминирующими механизмами транспорта носителей из КТ являются термоэлектронная эмиссия и туннелирование, стимулированное внешним электрическим полем. При температуре 90 К и прямом смещении 0,25 В преобладает фоновый дрейфовый ток. На участке 0,25 — 1 В доминирующим является туннельный ток. Узкий пик фотолюминесценции 1,18 эВ (Т = 90 К) на половине максимума свидетельствует о межзонной рекомбинации через основное состояние в КТ InAs.
ABSTRACT
The charge carriers transport in InAs/GaAs heterostructures with quantum dot (QD) fabricated by ion-beam crystallization (IBD) was investigated. It has found that the dominant carrier transport mechanisms from QDs at 300 K are thermionic emission and field-assisted tunneling. At the temperature 90 K and forward bias 0. 25 V the background drift current is prevails. In the range 0. 25−1 V the tunneling current dominates. The narrow photoluminescence peak 1. 18 eV (T = 90 K) on full width at half maximum indicates interband recombination through the ground state in QDs InAs.
Ключевые слова: ионно-лучевая кристаллизация, квантовые точки, гетероструктуры InAs/GaAs, электронный транспорт.
Keywords: ion-beam crystallization, quantum dot, InAs/GaAs heterostructures, electron transport.
Гетероструктуры на основе соединений III-V группы являются новым конкурирующим классом неорганических материалов для солнечных элементов с квантовыми точками (QDSC) [1]. Большинство гетероструктур с КТ для QDSC на основе InAs/GaAs получают методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (МОГФЭ). Рост когерентных наноостровков InAs происходит по механизму Странского-Крастанова [2]. Известны работы российских ученых по созданию методом МЛЭ структур InGaAs/GaAs с КТ для фотоэлектрических преобразователей [3, 4]. В системе Ge/Si пионерскими являются труды [5, 6].
В предлагаемой работе для получения гетероструктур с КТ использована ионно-лучевая кристаллизация [7-
9]. Аппаратурное оформление метода и первые результаты по получению гетероструктур i-GaxIn1-xAs/ n-GaAs с одним слоем КТ InAs описаны в работах [10, 11]. Измерения фотолюминесценции показали наличие КТ InAs с размерами от 20 до 100 нм. Оцененная плотность точек составила ~107 см-2. В работах [12−14] представлены результаты авторских исследований для системы Ge/Si. Цель настоящей работы заключалась в получении многослойной гетероструктуры InAs/GaAs c квантовыми точками InAs ионно-лучевой кристаллизацией и определении механизмов транспорта носителей заряда при различных температурах.
Для проведения экспериментов была изготовлена гетероструктура
n-GaAs/n±AЮ, 35Ga0,65As/i-GaAsЛnAs-КТ/i-GaAs/n-GaAs/GaAs (SI). На рис. 1 показана конструкция.
Рисунок 1. Конструкция гетероструктуры с тремя слоями КТ InAs
Гетероструктура содержит 3 вертикально-связанных слоя КТ InAs. Каждый слой КТ снизу и сверху заключен между барьерными слоями GaAs. Слой n±Al0,35Ga0,65As предназначен для образования канала с высокой подвижностью носителей заряда. Первым выращивался буферный слой n-GaAs толщиной 500 нм. Осаждение осуществлялось на полупроводящую подложку GaAs (SI) при Т=883 К прямым распылением материала мишени ионным пучком Ar+. Ускоряющее напряжение пучка составляло 450 В плотность тока пучка 3,210−4 А/см2. Давление в камере поддерживалось вакуумным
турбомолекулярным насосом на уровне не хуже 10−5 Па. Далее осаждался барьерный слой i-GaAs в аналогичных условиях. После этого проводилась кристаллизация слоя InAs при температуре 823 К толщиной 15 МС (~2 нм). Для обеспечения дальнейшего формирования КТ снижалась температура, выдерживалась пауза 15 с, затем процесс осаждения InAs возобновлялся. Рост К Т InAs осуществ-T _ 808
лялся при 1 oyjo К, ускоряющем напряжении ионов 250 В и плотности ионного тока 4,5 10−6 А/см2. Заращи-
Международный Научный Институт & quot-Educatio"- II (9), 2015
51
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
вание КТ барьерным слоем i-GaAs (10 нм) сопровожда-
t _ 023
лось повышением температуры до 1 oz-' К. Далее на
нем последовательно формировались буферный слой i-GaAs (50 нм) и проводящий слой n±Al0,35Ga0,65As (50 нм). Плотность ионного тока составляла 3,210−4 А/см2,
Т = 823 к. На завершающей стадии проводилась пассивация структуры слоем GaAs (200 нм). Для стабилизации свойств гетероструктура подвергалась быстрому термическому отжигу при Т = 673 К в течении 60 с.
Многослойные структуры изучались методами сканирующей электронной (СЭМ) и просвечивающей (СПМ) микроскопии в режиме высокого вакуума. Для выявления механизмов рекомбинации и транспорта носителей заряда проведены исследования фотолюминесценции (ФЛ) и темновых вольт-амперных характеристик при температурах 90 и 300 К. Спектры фотолюминесценции наногетероструктур получены с помощью монохроматора МДР-204 (190−5000 нм). Усиление сигнала достигалось применением дифракционной решетки 600 мм-1 с длиной волны
максимальной концентрации энергии 1000 нм. Германиевый фотодиод ФПУ-ФДГ (500−1600 нм), охлаждаемый жидким азотом использовался для детектирования сигнала. Инжекционный лазер (402 нм) служил источником возбуждения фотолюминесценции. Устранение влияния возбуждающего лазерного излучения осуществлялось с помощью оптического фильтра ЖС-12. Темновые вольтамперные характеристики полупроводниковых структур исследовались на измерителе иммитанса Е7 -20 с приставкой УП-1.
СЭМ-изображение выращенных КТ InAs приведено на рисунке 2, а. Средний планарный размер квантовых точек составляет 20 нм. Дисперсия размеров КТ не превышает 20%. Наблюдаются hut- и dome нанокластеры. Доля dome-нанокластеров мала. Статистический подсчет показал, что плотность квантовых точек InAs достигает 1,06 108 см-2. Проведенные СЭМ-исследования подтверждают положительное влияние выбранного режима роста на форму КТ и их плотность.
Рисунок 2. СЭМ изображение квантовых точек InAs на поверхности GaAs полученных методом ИЛК (а) — СПМ изображение гетероструктуры InAs/GaAs с 3 слоями КТ InAs
Уменьшение энергии ионов и плотности ионного тока приводит к снижению коэффициента распыления материала мишени и влияет на процесс кристаллизации пленки InAs на поверхности подложки GaAs. Поступающего материала становиться недостаточно для равномерного роста пленки InAs. Уменьшение температуры роста
КТ InAs до Т = 808 К обуславливает более низкую скорость поверхностной диффузии атомов In и As по поверхности подложки. В результате изменений свободной энергии на поверхности подложки создаются благоприятные условия для появления островковых центров кристаллизации и самоорганизованного роста квантовых точек InAs по механизму Странского-Крастанова.
Определение механизмов транспорта носителей заряда из квантовых точек InAs проводились измерением темнового тока при температуре 90 и 300 К. Результаты измерений приведены на рисунке 3. Наблюдается слабая асимметрия кривых при прямом и обратном напряжениях смещения. Вольтамперные характеристики при 300 К и 90 К имеют существенные различия. Такое поведение кривых свидетельствует о различных механизмах транспорта носителей заряда при изменении температуры и величины внешнего поля.
Мы предполагаем наличие следующих механизмов транспорта: фоновый дрейфовый ток, термоэлектронная эмиссия и туннелирование, стимулированное внешним
электрическим полем. При малых смещениях (& lt- 0,5 В) и комнатной температуре доминирующим механизмом будет термоэлектронная эмиссия. Для напряжений выше 0,5 В преобладающим механизмом является туннелирование, стимулированное внешним электрическим полем.
Рассмотрим ветвь вольтамперной характеристики при прямом смещении и температуре 90 К (сплошная линия на рисунке 3). Разобьем этот отрезок кривой на три части: 1) 0,05 — 0,25 В, 2) 0,25 — 1 В, 3) 1−2 В. На участке 1 основной компонентой темнового тока является фоновый дрейфовый ток. Мы считаем, что встроенный потенциал, образованный на границах нелегированных областей (барьерного слоя и квантовой точки) создает электростатическое поле высокой напряженности ~ 102−103 В/см. Наличие на границе дефектов роста будет увеличивать это электростатическое поле. Поэтому даже при малом напряжении смещения дрейф носителей из КТ InAs является доминирующим механизмом. Участок 2 характеризуется насыщением фонового дрейфового тока и возрастанием доли туннельного тока. Дальнейшее повышение напряжения (участок 3) приводит к смещению зонной энергетической диаграммы в направлении поля. Одновременно с этим ширина потенциального барьера уменьшается. В силу чего вероятность туннелирования носителя через барьерный слой i-GaAs (10 нм) существенно возрастает. Основным механизмом транспорта носителей из КТ InAs
Международный Научный Институт & quot-Educatio"- II (9), 2015
52
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
становиться туннельный ток, стимулированный внешним электрическим полем. На рисунке 3 показано, что при понижении температуры темновой ток уменьшился на 2 по-
Рисунок 3. Темновые вольтамперные характеристики экспериментального образца при различных температурах
Спектр Ф Л при 90 К отражает основные и возбужденные состояния в КТ InAs. Узкая ширина пика 1,18 эВ на половине максимума (FWHM) излучения соответствует межзонной рекомбинации через основное состояние. Быстрое уширение пика ниже FWHM обусловлено флуктуацией размеров самоорганизованных КТ InAs. Дополнительные пики малой интенсивности 1,23 и 1,29 эВ, по нашему мнению, отвечают возбужденным состояниям в квантовых точках, что коррелирует с результатами работы [15]. Низкая интенсивность этих пиков определяется условиями возбуждения люминесценции. Фотогенериро-ванные лазером 402 нм (~3 эВ) электроны становятся & quot-горячими"- (& quot-hot electrons& quot-) из-за высокой энергии возбуждения. В этих условиях & quot-горячие"- электроны вынуждены термализоваться для участия в актах излучательной рекомбинации по механизму зона-зона. Очевидно, что такие процессы более длительны по времени. Слабый пик 1,42 эВ мы связываем с фотолюминесценцией в смачивающем слое InAs. Смещение максимума излучения при 300 К в область малых энергий вызвано температурной зависимостью ширины запрещенной зоны в полупроводниках.
В многослойной гетероструктуре с квантовыми точками InAs полученной ионно-лучевой кристаллизацией достигнуто значение темнового тока 2,5 10−5 А при 90 К. Основными механизмами транспорта носителей заряда являются фоновый дрейф и туннелирование, стимулированное внешним электрическим полем. При 300 К транспорт носителей определяется термоэлектронной эмиссией и туннелированием, стимулированным внешним электрическим полем. Следует отметить, что величина темнового тока превышает значения в структурах выращенных МЛЭ на 2 порядка. Однако наши результаты получены для нелегированных массивов КТ InAs и барьерных слоев i-GaAs. Кроме того, плотность квантовых точек в работах других исследователей достигает 1012 см-2 [16, 17]. Соответственно для уменьшения темнового тока, во-первых, необходимо повысить плотность КТ InAs до уровня 1010−1012 см-2. Во-вторых, легировать структуры до уровня 1 электрон на квантовую точку. Указанные задачи являются предметом дальнейших исследований по отработке методики ионно-лучевой кристаллизации. Кроме того, полученные спектры ФЛ свидетельствуют о
Результаты исследования фотолюминесценции показаны на рисунке 4.
Рисунок 4. Спектры фотолюминесценции гетероструктуры с 3 слоями КТ InAs при различных температурах
возможности создания солнечных элементов с повышенной чувствительностью в ближнем ИК диапазоне на основе выращенных гетероструктур с квантовыми точками.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 — 2020 годы» (соглашение о предоставлении субсидии № 14. 576. 21. 0033, уникальный идентификатор
RFMEFI57614X0033).
Список литературы
1. Marti A., Cuadra L., Luque A. Quasi-drift diffusion model for the quantum dot intermediate band solar cell// IEEE Trans. Electron. Devices. — 2002. — Vol. 49. — № 9. — P. 1632−1639.
2. Stranski I. N. and Krastanow L. Zur Theorie der orientierten Ausscheidung von Ionenkristailen aufeinander// Sitzungsbericht Akademie der Wissenschaften Wien. Math. -naturwiss. Kl. IIb. — 1938. — V. 146. — P. 797−810.
3. Блохин С. А., Сахаров А. В., Надточий А. М., Паюсов
А.С., Максимов М. В., Леденцов Н. Н., Ковш А. Р., Михрин С. С., Лантратов В. М., Минтаиров С. А., Калюжный Н. А., Шварц М. З. Фотоэлектрические преобразователи AlGaAs/GaAs с массивом квантовых точек InGaAs // Физика и техника полупроводников. — 2009. — Т. 43. — Вып. 4. — С. 537−542.
4. Антонов А. В., Востоков Н. В., Дроздов М. Н., Молдавская Л. Д., Шашкин В. И., Хрыкин О. И., Яблонский А. Н. Фотопроводимость структур InAs/GaAs с нанокластерами InAs в ближнем инфракрасном диапазоне// Физика и техника полупроводников. — 2010. — Т. 44. — Вып. 11. — C. 1511−1513.
5. Yakimov A. I., Dvurechenskii A. V., Proskuryakov Yu. Yu., Nikiforov A. I., Pchelyakov O. P., Teys S. A., and Gutakovskii A. K. Normal-incidence infrared photoconductivity in Si pin diode with embedded Ge self-assembled quantum dots// Appl. Phys. Lett. — 1999. — V. 75. — № 10. — P. 1413 -1415.
6. Miesner C., Rohtig O., Brunner K., and Abstreiter G. Intra-valence band photocurrent spectroscopy of self-assembled Ge dots in Si// Appl. Phys. Lett. — 2000. — V. 76. — № 8. — P. 1027−1029.
Международный Научный Институт & quot-Educatio"- II (9), 2015
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
53
7. Лунин Л. С., Сысоев И. А., Чеботарев С. Н., Пащенко
А. С. Формирование квантовых точек InAs на подложках GaAs методом ионно-лучевого осаждения // Вестник Южного научного центра РАН. — 2010. -
Т. 6. — № 4. — С. 46−49.
8. Лунин Л. С., Сысоев И. А., Алфимова Д. Л., Чеботарев С. Н., Пащенко А. С. Исследование фоточувствительных гетероструктур InAs/GaAs с квантовыми точками, выращенных методом ионно-лучевого осаждения // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. — 2011. — № 6. — С. 58−62.
9. Лунин Л. С., Чеботарев С. Н., Пащенко А. С., Боло-банова Л.Н. Ионно-лучевое осаждение фотоактивных нанослоев кремниевых солнечных элементов // Неорганические материалы. — 2012. — Т. 48. — №
5. С. 517−522.
10. Лунин Л. С., Чеботарев С. Н., Пащенко А. С., Дудников С. А. Взаимосвязь размеров квантовых точек в InAs-QD/GaAs со спектром фотолюминесценции // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. — 2013. — № 1. — С. 40−44.
11. Лунин Л. С., Сысоев И. А., Алфимова Д. Л., Чеботарев С. Н., Пащенко А. С. Фотолюминесценция гетероструктур i-GaxIn1-xAs/n-GaAs со стохастическим массивом квантовых точек InAs // Неорганические материалы. — 2011. — Т. 47. — № 8. — С. 907−910.
12. Лунин Л. С., Чеботарев С. Н., Пащенко А. С., Лунина М. Л. Ионно-лучевая кристаллизация нанокластеров Ge на Si (001) // Вестник Южного научного центра РАН. — 2012. — Т. 8. — № 2. — С. 9−12.
13. Лунин Л. С., Чеботарев С. Н., Пащенко А. С. Структура нанокластеров Ge на Si (001) при ионно-лучевой кристаллизации // Неорганические материалы.
— 2013. — Т. 49. — № 5. — С. 457−461.
14. Чеботарев С. Н., Пащенко А. С., Лунин Л. С., Ирха
B. А. Особенности формирования многослойных наноструктур Ge/Si при ионно-лучевой кристаллизации // Письма в Журнал технической физики. — 2013. — Т. 39. — № 16. — С. 30−37.
15. Пащенко А. С., Чеботарев С. Н., Лунин Л. С. Транспорт носителей заряда в многослойных гетероструктурах InAs/GaAs с квантовыми точками, полученных ионно-лучевой кристаллизацией // Неорганические материалы. — 2015. — Т. 51. — № 3. -
C. 243−247
16. Lee S. -W., Hirakawa K., and Shimada Y. Bound-to-continuum intersubband photoconductivity of self-assembled InAs quantum dots in modulation-doped heterostructures // Appl. Phys. Lett. — 1999. — V. 75.
— № 10. — P. 1428−1430.
17. Chakrabarti S., Stiff-Roberts A. D., Su X. H., Bhattacharya P., Ariyawansa G. and Perera A. G. U. High-performance mid-infrared quantum dot infrared photodetectors// J. Phys. D: Appl. Phys. — 2005. — V. 38. — P. 2135−2141.
О РАСПРОСТРАНЕНИИ ЗВУКОВЫХ ВОЛН В ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СРЕДАХ
Поленов Виктор Сидорович
доктор физико-математических наук, профессор Воронежского, института экономики и права ABOUT THE PROPA GA TION OF SOUND WA VES IN THE TWO-COMPONENT MEDIUM
Polenov, Viktor Sidorovich, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor of Voronezh, Institute of Economics and Law
АННОТАЦИЯ
Исследуются диссипативные процессы при гармоническом деформировании двухкомпонентных сред, заданных комплексными модулями упругости и коэффициентами, характеризующие пористость и сжимаемость жидкости. Получены формулы для определения скорости распространения продольных и поперечных звуковых волн, коэффициентов затухания и логарифмического декремента затухания колебаний волн. Показано влияние пористости среды и мнимой части комплексных коэффициентов на скорость распространения волн и коэффициенты затухания ABSTRACT
We study the dissipative processes in the harmonic elastic deformation, fluid -saturated porous media, and the set of integrated modules characterize the elasticity, porosity and fluid incompressibility. The formulas for determining the velocity, attenuation coefficient and the logarithmic decrement of damping of longitudinal and transverse sound waves.
Ключевые слова: звуковые волны, пористость, среда.
Keywords: sonic waves, porosity, medium.
Динамическому деформированию упругой, двухкомпонентной пористой среде посвящен ряд работ, среди которых следует отметить работы [1−3], в которых отражена теория распространения стационарных волн.
Ранее в работе [4] изучались нестационарные упругие волны в насыщенной жидкостью однородной пористой среде и получены выражения для интенсивности волн.
Распространение звуковых волн в наследственно упругой однородной среде рассмотрено в [5].
В [6,7] изучены нестационарные упругие волны ускорения и ударные волны в насыщенной жидкостью неоднородной пористой среде и в насыщенной вязкой жидкостью однородной пористой среде.
Ниже изучаются звуковые волны, распространяющиеся в неограниченной двухкомпонентной среде, одна из компонент — упругая среда, а другая -сжимаемая жидкость.
1. Связь между полным тензором напряжений и перемещениями компонент запишем в виде [1]
(1)
Tk = Xu fjSk
+ П (uS + uk]
) + A*u (2)J,
ik
N = A*u (1)
+ B*u (2)
k, k ^ B uk, k

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой