Исследование полупроводниковых наногетероструктур методами токовой релаксационной спектроскопии, атомно-силовой микроскопии и спектроскопии НЧ-шумов

В последние десятилетия наблюдается интенсивное развитие полупроводниковых нанотехнологий. Наноразмерные структуры нашли широкое практическое применение в качестве активной области для лазерных излучателей, оптических усилителей, модуляторов светового излучения, устройств памяти и др.

Функционирование приборов наноэлектроники, активной областью которых являются полупроводниковые гетероструктуры, содержащие квантовые ямы (КЯ) и квантовые точки (КТ), основано на сложных физических явлениях, связанных с размерным квантованием носителей заряда и статистической природой распределения геометрических размеров нанообъектов. Для изучения свойств таких структур требуются использование новейших разработок в области измерительного и диагностического оборудования, а также совершенствование экспериментальных методик и соответствующего математического аппарата для обработки и интерпретации результатов измерений.

Широкое распространение получили методы визуализации нанообъектов с использованием электронной, сканирующей зондовой микроскопии [1]. Однако важнейшими параметрами наноструктур являются: распределение концентрации легирующей примеси и основных носителей заряда, положение энергетических уровней размерного квантования, качество гетерограниц, величины разрывов разрешенных энергетических зон на гетерогранице. Для исследования глубоких уровней в полупроводниковых барьерных микрои наноструктурах широко применяются электрические методы, такие как спектроскопия адмиттанса, метод вольт-фарадных характеристик [2], релаксационная спектроскопия глубоких уровней (РСГУ) [3], спектроскопия низкочастотных (НЧ) шумов [4].

К недостаткам метода спектроскопии адмиттанса следует отнести меньшую по сравнению с РСГУ чувствительность по концентрации ГУ и большую погрешность определения энергии ионизации ГУ из-за 5 необходимости проведения в ряде случаев модельных расчетов [5, 6]. Спектроскопия НЧ-шумов на сегодняшний день имеет достаточно ограниченное применение для исследования полупроводниковых наноструктур из-за сложностей проведения эксперимента [7]. Кроме этого, отсутствует математическая модель, связывающая концентрацию дефектов с ГУ с параметрами спектра НЧ-шумов. Однако спектроскопия НЧ-шумов имеет ряд преимуществ, например не требует использования образцов с обязательным наличием барьерного контакта. В связи с этим развитие метода спектроскопии НЧ-шума для исследования электрофизических свойств полупроводниковых наноструктур является актуальной задачей.

Наиболее предпочтительным среди перечисленных методов следует считать метод РСГУ. Достоинствами РСГУ-метода являются высокая чувствительность по концентрации детектируемых дефектов с глубокими уровнями ТУ, {И/Ит — 10~7 .10°, где Мт — концентрация мелкой легирующей примеси), возможность независимого определения энергии ионизации глубокого уровня (ГУ) и сечения захвата (СЗ) носителей заряда (НЗ), высокая разрешающая способность по энергии ионизации ГУ, наглядность измерений и обработки спектров [8]. Токовый вариант РСГУ (ТРСГУ) обладает большей чувствительностью по концентрации дефектов с ГУ по сравнению с традиционным — емкостным вариантом РСГУ. Кроме того, метод РСГУ, в котором изучается температурная зависимость релаксации емкости барьерной структуры, не пригоден для исследования высокоомных полупроводниковых барьерных структур [9].

Перечисленные выше известные электрические методы исследования наноструктур рассчитаны на изучение образцов с макроконтактами, т. е. позволяют получать информацию, усредненную по области наблюдения, определяемую площадью барьерного или омического контакта, которая значительно превышает характерные латеральные масштабы в наноструктуреразмеры квантовых точек, протяженность неоднородностей толщины и областей с различным составом твердого раствора материала квантовой ямы и т. д. 6.

По мере развития наноэлектроники появилась необходимость исследования энергетического спектра электронных состояний в отдельных нанообъектах или их небольших группах. Для обнаружения нанообъекта или соответствующей малой области для исследования и формирования контакта можно использовать атомно-силовой микроскоп и его проводящий зонд, который можно подключить к РСГУ-спектрометру [10]. Разработка физических основ такого метода исследования, основанного на совместном использовании техники АСМ и РСГУ, является актуальной задачей. Релаксационная спектроскопия совместно с атомно-силовой микроскопией позволит определять основные электронные свойства полупроводниковых наноструктур, а именно: энергии активации процессов эмиссии и захвата носителей заряда на основные уровни размерного квантования, величины разрывов разрешенных энергетических зон на гетерограницах, макрои микронеоднородности распределения указанных величин и т. д.

Полупроводниковые соединения А2В6 относятся к одним из основных материалов для оптоэлектронных применений и наноэлектроники [11, 12]. Однако до сих пор для ряда гетероструктур на основе селенидов, сульфидов цинка, кадмия с квантовыми ямами и точками отсутствуют надежные данные об особенностях зонных диаграмм, а именно о величинах разрывов валентной зоны и зоны проводимости. Изучение электрофизических свойств указанных структур также является актуальной задачей микрои наноэлектроники.

Цель диссертационной работы — исследование электрофизических свойств полупроводниковых наногетероструктур с квантовыми ямами и квантовыми точками с учетом квантово-размерных эффектов и развитие методов диагностики на основе токовой релаксационной спектроскопии, атомно-силовой микроскопии и спектроскопии НЧ-шумов.

Основные задачи.

1. Анализ существующих методов исследования электронных состояний в полупроводниковых микрои наноструктурах. 7.

2. Вывод основных математических соотношений, учитывающих конфигурацию барьерного контакта и исследуемой полупроводниковой микроили наноструктуры, для метода исследования энергетического спектра электронных состояний в полупроводниковых наногетероструктурах, основанного на совместном использовании токовой релаксационной спектроскопии и атомно-силовой микроскопии (АСМ).

3. Исследование энергетического спектра электронных состояний в полупроводниковых наноструктурах с квантовыми точками, величин разрывов разрешенных энергетических зон в наноструктурах с квантовой ямой, изучение распределения этих величин вдоль поверхности образцов, параллельной слою, образующему квантовую яму, при формировании точечного барьерного контакта с размерами <100 нм с помощью метода, основанного на совместном использовании ТРСГУ и АСМ.

4. Изучение величин разрывов разрешенных энергетических зон в полупроводниковых наногетероструктурах с квантовой ямой методом спектроскопии НЧ-шумов.

Основными объектами исследований являлись полупроводниковые гетероструктуры с квантовыми ямами (КЯ) на основе систем InGaAs/GaAs, ZnCdS/ZnSSe и гетероструктуры с квантовыми точками (КТ) на основе системы CdSe/ZnSe, выращенные либо методом эпитаксии из молекулярных пучков (МПЭ), либо методом парофазной эпитаксии из металлорганических соединений (ПФЭМОС).

Научная новизна представленных в работе результатов заключается в следующем:

1. Впервые предложен способ исследования энергетического спектра электронных состояний в полупроводниковых наногетероструктурах, а именно в их областях, размеры которых находятся в нанометровом диапазоне, основанный на изучении температурной зависимости релаксации электрического тока через структуру при совместном использовании токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней и атомно-силовой микроскопии.

2. Получены математические соотношения, описывающие переходный процесс релаксации тока при опустошении энергетических уровней в полупроводниковой структуре с точечным барьерным контактом. Математические соотношения описывают релаксацию тока в структурах с квантовыми ямами или квантовыми точками.

3. Экспериментально определена энергия активации процесса эмиссии электронов из квантовых точек в структуре CdSe/ZnSe по температурной зависимости релаксации тока через структуру с помощью метода, основанного на совместном использовании ТРСГУ и АСМ.

4. Впервые экспериментально обнаружена флуктуация величины разрыва зоны проводимости вдоль слоя, образующего квантовую яму в гетероструктуре Zn0.4Cd0.6S/ZnS0.06Se0.94, с помощью совместного использования токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней и атомно-силовой микроскопии (локальной токовой релаксационной спектроскопии).

5. Впервые определена энергия активации процесса эмиссии носителей заряда с основного уровня размерного квантования методом спектроскопии НЧ-шумов и рассчитана величина разрыва зоны проводимости в гетероструктуре In0.22Ga0 78As/GaAs.

Положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Математические соотношения, учитывающие конфигурацию барьерного контакта и исследуемой полупроводниковой микроили наноструктуры в комбинированном методе токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней и атомно-силовой микроскопии.

2. Способ локального измерения энергетического спектра электронных состояний, основанный на совместном использовании токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней и атомно-силовой микроскопии, который позволяет определять распределение величины энергии активации носителей заряда по поверхности образца.

3. Результаты измерения разрыва зоны проводимости в структуре Ino.22Gao.78As/GaAs с квантовой ямой, полученные методом спектроскопии НЧ-шумов с учетом эффектов Пула — Френкеля и туннелирования.

Достоверность научных результатов работы обеспечивается использованием общепринятого математического аппарата физики полупроводников и подтверждается совпадением с результатами исследований, полученных независимыми методами: фотои катодолюминесценции, токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней, спектроскопии НЧ-шумов.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

— развиты методы РСГУ и АСМ, углублены существующие представления о физических процессах, происходящих в полупроводниковых наногетероструктурах, представляющих определенные перспективы для применения в оптои наноэлектронике;

— разработан метод локального исследования энергетического спектра электронных состояний в полупроводниковых наногетероструктурах и объектах, имеющих размеры нанометрового диапазона, который позволяет определять основные параметры их зонных диаграмм или электронного спектра;

— разработан способ расчета величин разрывов разрешенных зон в структурах с квантовыми ямами по спектру релаксационной спектроскопии глубоких уровней, учитывающий эффект туннелирования носителей заряда сквозь потенциальный барьер треугольной формы;

— экспериментально определены величины разрывов разрешенных зон в наногетероструктурах Ino.22Gao.7gAs/GaAs, Zno.4Cdo.6S/ZnSo.o6Seo.94 с квантовыми ямами и значения энергии активации электронов с основного уровня размерного квантования в квантовой точке в структурах CdSe/ZnSe.

Апробация. Основные результаты диссертационной работы.

10 докладывались и обсуждались на XII международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (г. Алушта, 2008), X, XI, XII международных конференциях «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2008, 2009, 2010), III международной конференции «Физика электронных материалов — ФИЭМ'08» (г. Калуга, 2008), VII международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (г. Санкт-Петербург, 2010), I и II Всероссийских школах-семинарах студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия» (г. Москва, г. Калуга- 2008, 2009), I и III Всероссийских школах-семинарах студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы» (г. Рязань, 2008, 2010), Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Диагностика наноматериалов и наноструктур» (г. Рязань, 2011), 14th and 15th International Conference on II-VI Compounds (Санкт — Петербург, 2009; Cancun, Mexico, 2011).

Публикации. Основные результаты опубликованы в 36 научных работах, из них 6 статей (по специальности) в журналах из списка ВАК, 1 статья в зарубежном журнале, 6 статей в других изданиях, 21 тезисов докладов на российских и международных конференциях, 1 патент, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 105 наименований. Диссертация изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц и 61 рисунок.

Выводы.

1. По спектрам фотолюминесценции определены энергии излучательных переходов в квантовых ямах и барьерных слоях структуры ТпваАз/СаАБ с тремя КЯ. Полученные результаты использованы при анализе результатов исследования методами ТРСГУ и НЧ-шумов.

2. Методом С-У-характеристик получены профили распределения концентрации электронов в исследуемых структурах. По зависимости концентрации НЗ от обратного напряжения (рис. 4.9) были выбраны режимы для исследования энергетического спектра образцов методами ТРСГУ и НЧ-шумов.

3. Методом ТРСГУ определена энергия активации процесса эмиссии электронов из квантовой ямы с содержанием 1п 22%. Энергия активации составила 93+10 мэВ.

4. Методом спектроскопии НЧ-шумов определена величина энергии активации электронов с основного уровня размерного квантования в структуре 1п0 22Са0 78А5/СаА5 с квантовой ямой. По энергии активации электронов рассчитана величина разрыва зоны проводимости для структуры 1п022Са0 78Аз/СаА8, которая составила 187+5 мэВ.

5. Получены соотношения для расчета величины разрыва разрешенной зоны в структуре с квантовой ямой по спектру релаксационной спектроскопии глубоких уровней или спектру НЧ-шумов, учитывающие влияние эффекта туннелирования носителей заряда сквозь потенциальный барьер треугольной формы. Данный эффект начинает сказываться на результатах расчета разрыва разрешенной зоны при увеличении напряженности электрического поля и уровня легирования. Так, например, в структуре 1п0 78А5/СаА8 с квантовой ямой и уровнем легирования 3−1016 см" 3 разрыв зоны проводимости с учетом туннелирования составил 187 мэВ, а без учета туннелирования — 177 мэВ. Таким образом, понижение потенциального барьера за счет туннелирования электронов составляет 10 мэВ.