СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ МЕЖУРОВНЕВОЙ РЕЛАКСАЦИИ ЭЛЕКТРОНА В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОПЕРЕХОДА ПЕРВОГО РОДА Российский патент 2016 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к технологии определения базовых параметров полупроводниковых структур и может быть использовано для определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода, например в самоорганизованных квантовых точках InAs/GaAs.

Для определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках известен прямой метод измерения, основанный на дифференциальной спектроскопии оптического пропускания с высоким временным разрешением (см., например, отчет по работе «Time-Resolved Electronic Relaxation Processes In Self-Organized Quantum Dots» на сайте в Интернет: www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a433758.pdf). Этот метод основан на pump-probe методике с использованием усложненного уникального дорогостоящего оборудования (включающего, например, фемтосекундный лазер) и является мало доступным.

Уровень техники в рассматриваемой области характеризуется отсутствием информационных источников, содержащих сведения о более технологичном и доступном (менее дорогостоящем) косвенном методе определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках.

Технический результат заявляемого изобретения - создание эффективного косвенного способа определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках при наличии в них дырок, не требующего использования сложного и малодоступного дорогостоящего измерительного оборудования за счет выявления новых диагностических возможностей экспериментально более простого метода фотоэлектрической спектроскопии полупроводниковых квантово-размерных гетеронаноструктур, основанного на применении такого стандартного оборудования, как монохроматор, оптический модулятор с частотой порядка 100 Гц, селективный усилитель сигнала и оптический криостат, в сочетании с возможностями метода компьютерного моделирования.

Кроме того, предлагаемое изобретение, представляющее собой первый новый косвенный способ определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках, расширяет арсенал методов измерительной технологии в актуальной области квантово-размерных структур.

Для достижения указанного технического результата заявляемый способ определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода проводят в следующем порядке:

измеряют спектры фоточувствительности в области поглощения квантовых точек диодных структур при различных температурах и/или напряжениях смещения на диодных структурах, по которым строят температурные и/или полевые зависимости фоточувствительности диодных структур в области основного и первого возбужденного оптических переходов в квантовых точках, встроенных в указанные структуры, и нормируют построенные зависимости по участку насыщения в области высоких температур и/или напряженностей электрического поля,

для всех величин температуры диодных структур и/или напряженности электрического поля в слое квантовых точек - параметров измерения указанной выше фоточувствительности и предполагаемого интервала величин времени межуровневой релаксации электрона τ₃₂ получают температурные и/или полевые зависимости квантовой эффективности эмиссии η₀ электронно-дырочных пар, возникающих при фотогенерации в области основного оптического перехода, и квантовой эффективности эмиссии η₁ электронно-дырочных пар, возникающих при фотогенерации в области первого возбужденного оптического перехода в упомянутых квантовых точках на основе использования следующих представляющих собой функцию от температуры диодных структур и напряженности электрического поля в слое квантовых точек выражений

где определяемые в соответствии с указанными ниже составными выражениями (8-15)

τ_rec - время рекомбинации электронно-дырочной пары;

τ_1esc, τ_2esc и τ_3esc - результирующее эмиссионное время жизни, соответственно дырки, электрона в основном состоянии и электрона в первом возбужденном состоянии;

τ₂₃ - время перехода электрона из основного состояния в возбужденное;

τ₃₂ - время межуровневой релаксации электрона;

после чего сравнивают логарифмы полученных величин квантовой эффективности эмиссии η₀ и η₁ с логарифмами построенных величин нормированной фоточувствительности диодных структур в области основного и первого возбужденного оптических переходов в квантовых точках во всем диапазоне указанных параметров измерения для каждой величины времени межуровневой релаксации электрона τ₃₂ с выбранным шагом изменения этой величины в пределах предполагаемого интервала

и по величине времени межуровневой релаксации электрона τ₃₂, соответствующей минимальному расхождению сравниваемых величин, судят об искомом времени межуровневой релаксации электрона.

В частном случае при проведении изложенного выше способа в качестве диодных структур со встроенными квантовыми точками на основе гетероперехода первого рода используют структуры с диодом Шоттки, содержащие в области пространственного заряда слой квантовых точек InAs/GaAs.

А выполнение расчетных операций при проведении предлагаемого способа производят на основе использования метода компьютерного моделирования.

На фиг. 1 показана блок-схема экспериментальной установки для измерений спектров фоточувствительности в области поглощения квантовых точек диодных структур при различных температурах и/или напряжениях смещения на диодных структурах; на фиг. 2 - измеренный с помощью установки на фиг. 1 спектр фоточувствительности структуры с диодом Шоттки, содержащей в области пространственного заряда слой квантовых точек InAs/GaAs, при одной из температур (без напряжения смещения); на фиг. 3 - построенные температурные зависимости нормированной фоточувствительности структуры с диодом Шоттки, содержащей в области пространственного заряда слой квантовых точек InAs/GaAs в области основного и первого возбужденного оптических переходов в указанных квантовых точках; на фиг. 4 - графический результат сравнения логарифмов полученных величин квантовой эффективности эмиссии η₀ и η₁ с логарифмами нормированной построенной фоточувствительности диодных структур в области основного и первого возбужденного оптических переходов в квантовых точках во всем диапазоне температур измерения.

Экспериментальная установка для измерений спектров фоточувствительности в области поглощения квантовых точек диодных структур в примере выполнения способа содержит монохроматор 1 (Acton SpectraPro-500i), снабженный лампой накаливания 2, фокусирующими оптическими элементами - зеркалом 3 и линзой 4, и сопряженный с оптическим модулятором с оптопарой 5 (частота модуляции 130 Гц), селективный усилитель с синхронным детектированием сигнала 6 (Stanford Research Systems 810), оптический криостат 7, сопротивление нагрузки 8, регулируемый источник постоянного напряжения 9 и персональный компьютер 10.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

С помощью изложенной экспериментальной установки измеряют спектры фоточувствительности в области поглощения квантовых точек структуры с диодом Шоттки, содержащие в области пространственного заряда слой квантовых точек InAs/GaAs при различных температурах (а также при различных напряжениях смещения), см., например измеренный указанный спектр при одной из температур - при комнатной температуре на фиг. 2.

При этом образец 11 указанной структуры в виде пластинки с размерами 1×1 см с нанесенными на лицевую поверхность золотыми выпрямляющими контактами Шоттки и омическим оловянным контактом, выполненным к буферному слою и подложке методом электроискрового вжигания, размещают в оптическом криостате 7. С помощью прижимных контактов исследуемую диодную структуру включают в электрическую цепь, содержащую сопротивление нагрузки 8 и регулируемый источник постоянного напряжения 9. Переменный электрический сигнал, возникающий при освещении диодной структуры модулированным монохроматическим светом, снимают с нагрузочного сопротивления, усиливают селективным усилителем 6 с синхронным детектированием сигнала, оцифровывают аналого-цифровым преобразователем (на фиг. 1 не показан) и направляют в персональный компьютер 10. При построении спектров фоточувствительности величина измеряемого сигнала делится на спектральную зависимость падающего на образец света.

По измеренным спектрам строят температурные (а также полевые) зависимости фоточувствительности указанной структуры в области основного и первого возбужденного оптических переходов в квантовых точках, встроенных в данную структуру, и нормируют построенные зависимости по участку насыщения в области высоких температур (а также высоких напряженностей электрического поля), см., например, температурные зависимости нормированной фоточувствительности указанной структуры в области основного и первого возбужденного оптических переходов в указанных квантовых точках на фиг. 3.

Для всех величин температуры указанной структуры (а также напряженности электрического поля) и предполагаемого интервала величин времени межуровневой релаксации электрона τ₃₂ (10^-14-10^-10 с) получают температурные (а также полевые) зависимости квантовой эффективности эмиссии η₀ электронно-дырочных пар, возникающих при фотогенерации в области основного оптического перехода, и квантовой эффективности эмиссии η₁ электронно-дырочных пар, возникающих при фотогенерации в области первого возбужденного оптического перехода в упомянутых квантовых точках на основе использования следующих представляющих собой функцию от температуры диодных структур и напряженности электрического поля в слое квантовых точек выражений (1 и 2), для расчета которых в свою очередь определяют входящие в них необходимые параметры по следующим составным выражениям (3-10).

При этом время r_2esc определяют с помощью выражения

где - времена жизни электронов по отношению к термической надбарьерной эмиссии в матрицу, термической эмиссии в 2D-состояния смачивающего слоя, чисто туннельной эмиссии, термоактивированной туннельной эмиссии в матрицу через виртуальные состояния, соответственно. И времена τ_1esc и τ_3esc определяют аналогичным образом.

Времена и в выражении (3) определяют в соответствии со следующими выражениями

где M_c - число минимумов зоны проводимости; m_e, - эффективная масса электронов в материале матрицы GaAs и в смачивающем слое InAs; g₀(g₁) - вырождение пустого (заполненного) энергетического уровня; σ_n - сечение захвата электронов КТ; E_b - высота потенциального барьера в КТ; F - напряженность электрического поля в окрестности КТ; - дно нижней электронной подзоны в смачивающем слое.

А время в выражении (3) определяют в соответствии со следующим выражением

где m - число LO-фононов, вовлеченных в процесс эмиссии; - максимально возможное число фононов; W_m - статистический вес для m фононной моды; - энергия фонона. При этом статистический вес W_m определяют с помощью следующего выражения

где S_HR - параметр Хуанга-Риса, I_m - модифицированная функция Бесселя m порядка.

Высоту барьера E_b в электрическом поле F в выражениях (4 и 6) уменьшают на величину ΔE, которую определяют с помощью следующего выражения

где L - эффективная высота квантовой точки.

Время τ₂₃ определяют с помощью следующего выражения

где ΔE₁₀ - расстояние между уровнями размерного квантования электронов, а величины времени τ₃₂ содержатся в предполагаемом интервале (10^-14-10^-10 с).

После чего логарифмы полученных величин квантовой эффективности эмиссии η₀ электронно-дырочных пар, возникающих при фотогенерации в области основного оптического перехода и квантовой эффективности эмиссии η₁ электронно-дырочных пар, возникающих при фотогенерации в области первого возбужденного оптического перехода в упомянутых квантовых точках, сравнивают методом компьютерного моделирования с логарифмами построенных величин нормированной фоточувствительности в области основного и первого возбужденного оптических переходов в квантовых точках при всех температурах (а также напряженностях электрического поля) измерения для каждой задаваемой величины τ₃₂ с логарифмическим шагом изменения этой величины на уровне варьирования ее порядка в пределах указанного выше предполагаемого интервала этой величины до минимального расхождения сравниваемых логарифмов.

Графический результат изложенного сравнения при всех температурах измерения показан на фиг. 4, в соответствии с которым искомое время межуровневой релаксации электрона в квантовых точках InAs/GaAs, встроенных в структуру с диодом Шоттки, составляет порядка 10^-12 с - время межуровневой релаксации электрона, которое соответствует минимальному расхождению кривых η₀ и η₁ и наборов точек логарифмов построенных величин нормированной фоточувствительности в области основного и первого возбужденного оптических переходов в квантовых точках.

Определенное изложенным образом время межуровневой релаксации электрона хорошо согласуется с порядком величины указанного времени, определяемой известным прямым методом (см., например время τ₂₁ в таблице 1 в указанном выше отчете по работе «Time-Resolved Electronic Relaxation Processes In Self-Organized Quantum Dots»).

Предлагаемый способ применим для определения времени межуровневой релаксации электрона в широкой группе полупроводниковых квантовых точек, предпочтительно на основе следующих гетеропереходов первого рода: ZnSe/CdSe, ZnS/CdS, ZnTe/CdTe.

Вывод используемых выражений (1 и 2) основывается на решении системы пяти уравнений (1-5), описывающих изменение числа квантовых точек, находящихся в каждом из возможных состояний квантовой точки при низком уровне оптического возбуждения, указанных на с. 176 статьи Волковой Н.С. и др. «Эмиссия фотовозбужденных носителей из квантовых точек InAs/GaAs, выращенных газофазной эпитаксией». - Письма в ЖЭТФ, 2014, т. 100, в. 3, с. 175-180.

Таким образом, предлагаемый способ, представляя собой новый эффективный косвенный метод определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода, обеспечивает выполнение указанной актуальной задачи на основе использования более технологичного, простого и доступного по стоимости стандартного оборудования в сочетании с возможностями компьютерного моделирования со сниженной трудоемкостью расчетов в результате использования выражений (1 и 2).

Использование: для определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках. Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый способ проводят в следующем порядке: измеряют спектры фоточувствительности в области поглощения квантовых точек диодных структур при различных температурах и/или напряжениях смещения на диодных структурах, по которым строят температурные и/или полевые зависимости фоточувствительности диодных структур, для всех величин температуры диодных структур и/или напряженности электрического поля в слое квантовых точек - параметров измерения указанной выше фоточувствительности и предполагаемого интервала величин времени межуровневой релаксации электрона τ₃₂ получают температурные и/или полевые зависимости квантовой эффективности эмиссии η₀ электронно-дырочных пар, после чего сравнивают логарифмы полученных величин квантовой эффективности эмиссии η₀ и η₁ с логарифмами построенных величин нормированной фоточувствительности диодных структур в области основного и первого возбужденного оптических переходов в квантовых точках во всем диапазоне указанных параметров измерения для каждой величины времени межуровневой релаксации электрона τ₃₂ с выбранным шагом изменения этой величины в пределах предполагаемого интервала и по величине времени межуровневой релаксации электрона τ₃₂, соответствующей минимальному расхождению сравниваемых величин, судят об искомом времени межуровневой релаксации электрона. Технический результат: обеспечение возможности создания эффективного косвенного способа определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода, характеризующийся тем, что предлагаемый способ проводят в следующем порядке:
измеряют спектры фоточувствительности в области поглощения квантовых точек диодных структур при различных температурах и/или напряжениях смещения на диодных структурах, по которым строят температурные и/или полевые зависимости фоточувствительности диодных структур в области основного и первого возбужденного оптических переходов в квантовых точках, встроенных в указанные структуры, и нормируют построенные зависимости по участку насыщения в области высоких температур и/или напряженностей электрического поля,
для всех величин температуры диодных структур и/или напряженности электрического поля в слое квантовых точек - параметров измерения указанной выше фоточувствительности и предполагаемого интервала величин времени межуровневой релаксации электрона τ₃₂ получают температурные и/или полевые зависимости квантовой эффективности эмиссии η₀ электронно-дырочных пар, возникающих при фотогенерации в области основного оптического перехода, и квантовой эффективности эмиссии η₁ электронно-дырочных пар, возникающих при фотогенерации в области первого возбужденного оптического перехода в упомянутых квантовых точках на основе использования следующих представляющих собой функцию от температуры диодных структур и напряженности электрического поля в слое квантовых точек выражений

где определяемые в соответствии с указанными в описании изобретения составными выражениями (3-10)
τ_rec - время рекомбинации электронно-дырочной пары;
τ_1esc, τ_2esc и τ_3esc - результирующее эмиссионное время жизни, соответственно дырки, электрона в основном состоянии и электрона в первом возбужденном состоянии;
τ₂₃ - время перехода электрона из основного состояния в возбужденное;
τ₃₂ - время межуровневой релаксации электрона;
после чего сравнивают логарифмы полученных величин квантовой эффективности эмиссии η₀ и η₁ с логарифмами построенных величин нормированной фоточувствительности диодных структур в области основного и первого возбужденного оптических переходов в квантовых точках во всем диапазоне указанных параметров измерения для каждой величины времени межуровневой релаксации электрона τ₃₂ с выбранным шагом изменения этой величины в пределах предполагаемого интервала
и по величине времени межуровневой релаксации электрона τ₃₂, соответствующей минимальному расхождению сравниваемых величин, судят об искомом времени межуровневой релаксации электрона.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве диодных структур со встроенными квантовыми точками на основе гетероперехода первого рода используют структуры с диодом Шоттки, содержащие в области пространственного заряда слой квантовых точек InAs/GaAs.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выполнение расчетных операций при проведении предлагаемого способа производят на основе использования метода компьютерного моделирования.