Особливості переносу заряду в низьковимірних гетероструктурах на основі сполук A3В5 - Автореферат

Хоча давно відомо, що створення на поверхні РТС системи гребінчастих Шоткі-контактів може підвищити ефективність фотодіода, кількісно механізми впливу створеного контактами періодичного потенціалу на струм через РТС не розглядались, чим стримувались подальші дослідження в цій області. В даній роботі вивчається новий метод дослідження параметрів нуль-вимірних структур (квантових точок), заснований на використанні p-i-n діоду в якості матриці(носія) квантових точок та комплексі електричних та оптичних вимірювань. Внутрішні бістабільності є зовнішнім проявом процесів накопичення заряду у низьковимірних структурах (квантових ямах (КЯ) та квантових точках) і їх дослідження часто допомагає визначити важливі параметри цих гетероструктур та зрозуміти механізми утворення струму через них у всьому діапазоні прикладених напруг. Таким чином, проведені у даній роботі дослідження бістабільностей у комплексній гетероструктурі, що містить як квантову яму, так і масив квантових точок, є актуальними як з точки зору фундаментальних досліджень, так і для розширення використання таких структур у приладах функціональної електроніки. Дослідження, результати яких увійшли до дисертаційної роботи, були проведені в рамках планових фундаментальних досліджень Інституту фізики напівпровідників НАН України таких бюджетних тем: “Фізичні та фізико-технічні основи створення напівпровідникових матеріалів і функціональних елементів для систем сенсорної електроніки” (Постанова Бюро фізики і астрономії НАН України, Протокол №12 від 11.11.1999 р.У Вступі обґрунтовано актуальність вибору теми дисертації та обєктів досліджень, сформульовано мету і задачі роботи, обґрунтовано наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, наведено відомості про апробацію роботи і публікації, в яких брав участь автор, а також подано структуру та короткий зміст дисертації за розділами. У Другому розділі роботи обговорено питання методики досліджень і техніки застосованих в роботі електричних (виміри струму та ємності в залежності від прикладеного поля) та оптичних (фотовідгук, фото-та електролюмінесценція) досліджень. В третьому розділі дисертації наведено результати досліджень механізмів формування тунельного струму у резонансно-тунельних структурах (РТС) під дією зовнішніх чинників: освітлення (частина 3.1) та додаткового просторово періодичного потенціалу (частина 3.2). Отримано спектр фотовідгуку (рис.1), що демонструє як зон-зонне збудження фотогенерованих носіїв (зона А на рис.1), так збудження електронно-діркових пар безпосередньо у квантовій ямі (зона Б). Співставивши результати вимірів фотовідгуку з темновою вольтамперною характеристикою зразка, нами було виявлено чітку кореляцію результатів (рис.2).Встановлено, що фотовідгук в інфрачервоній області спектра має комплексний характер, зумовлений різними механізмами збудження електронно-діркових пар, а саме, фотовідгук формується не тільки носіями, генерованими з КЯ, а й такими, що збуджуються з локалізованих станів в акумуляційних шарах. Згідно отриманих результатів, зменшення відстані між контактами підсилює ефект впливу латерального потенціалу такої надгратки на транспортні характеристики РТС, розміщеної в області просторового заряду Шоткі-контактів у кілька разів. При дослідженні спектрів КТ було показано, що p-i-n діоди є найбільш універсальним спектрометром для дослідження енергетичної структури квантових точок, так як, на відміну від монополярних структур, дозволяють одночасно досліджувати як електронні, так і діркові стани КТ. Таким чином, у роботі отримано нове рішення актуальної для фізики напівпровідників задачі дослідження особливостей переносу заряду у низьковимірних гетероструктурах на основі сполук А3В5. Fine structure of photoresponse spectra in double-barrier resonant tunneling diode // Nanotechnology.

Основний зміст роботи

В дисертаційній роботі наведено результати експериментальних та теоретичних досліджень особливостей переносу заряду в квантових гетероструктурах на основі сполук А3В5. Основні результати роботи такі: 1. Визначено відносний вклад до фотоструму як носіїв, прямо інжектованих світлом у квантову яму, так і носіїв, що тунелюють в КЯ з акумуляційного шару. Крім того, отримано підтвердження присутності електрон-діркової рекомбінації фотозбуджених носіїв в ямі. Встановлено, що фотовідгук в інфрачервоній області спектра має комплексний характер, зумовлений різними механізмами збудження електронно-діркових пар, а саме, фотовідгук формується не тільки носіями, генерованими з КЯ, а й такими, що збуджуються з локалізованих станів в акумуляційних шарах. Врахування цих ефектів є важливим для оптимізації роботи фотодекторів на РТС.

2. Побудована модель електрично-індукованої надгратки, створеної системою гребінчастих Шоткі-контактів. Згідно отриманих результатів, зменшення відстані між контактами підсилює ефект впливу латерального потенціалу такої надгратки на транспортні характеристики РТС, розміщеної в області просторового заряду Шоткі-контактів у кілька разів. Модифіковані згідно результатів дисертації структури можуть бути використані для фотодетекторів підвищеної чутливості.

3. При дослідженні спектрів КТ було показано, що p-i-n діоди є найбільш універсальним спектрометром для дослідження енергетичної структури квантових точок, так як, на відміну від монополярних структур, дозволяють одночасно досліджувати як електронні, так і діркові стани КТ. Енергетичний спектр серії INAS КТ у матрицях від GAAS до ALAS був досліджений у залежності від складу матриці за допомогою цього методу.

4. Виявлено, що у структурах з КТ за рахунок ефектів накопичення заряду можуть виникати струмові бістабільності. За умови поміщення шару INAS КТ у квантову яму ALAS/GAAS/ALAS, що знаходиться в i-області p-i-n діода, можливе утворення бістабільностей як S- так і Z-типу в одному пристрої. Це зумовлено процесами зарядки діркових та електронних станів КТ, та впливом накопиченого заряду на розподіл потенціалу по структурі. Ці ефекти слід брати до уваги при проектуванні детекторів, лазерів, чи генераторів, що використовують КТ.

Таким чином, у роботі отримано нове рішення актуальної для фізики напівпровідників задачі дослідження особливостей переносу заряду у низьковимірних гетероструктурах на основі сполук А3В5.

Вирішення цієї задачі має значення для зясування фізичних властивостей двомірних та нульмірних напівпровідникових гетероструктур та їх практичного використання у приладах сучасної напівпровідникової електроніки.

Результати роботи мають наукове та практичне значення для розуміння фундаментальних квантових ефектів, що відбуваються у низькорозмірних гетеро структурах, а також для побудови моделей сучасної фізики напівпровідників.

Основні висновки та положення, які сформульовані в дисертаційній роботі, є обґрунтованими, оскільки безпосередньо випливають із достовірних експериментальних результатів, не суперечать уявленням, які існують в даній галузі і підтверджуються даними, незалежно отриманими іншими авторами.

Основні результати дисертації опубліковані в таких роботах

S.A. Vitusevich, A. Forster, W. Reetz, H. Luth, A.E. Belyaev, S.V. Danylyuk. Spectral responsivity of single quantum well photodetectors // Appl. Phys. Lett. 2000. v.77, N 1. P.16-18.

S.A. Vitusevich, A. Forster, W. Reetz, H. Luth, A.E.Belyaev, S.V. Danylyuk. Fine structure of photoresponse spectra in double-barrier resonant tunneling diode // Nanotechnology. 2000. v.11. P. 305-308.

S.A. Vitusevich, A. Forster, W. Reetz, H. Luth, A.E. Belyaev, S.V. Danylyuk. Fine structure of photoresponse spectra in double-barrier resonant tunneling diode // Proc. International Symp. “Nanostructures: physics and technology”. St.Petersburg (Russia). 2000. P. 351-354.

S.A. Vitusevich, A. Forster, W. Reetz, H. Luth, A.E. Belyaev, S.V. Danylyuk, T. Figielski, A. Makosa. Peculiarities of spectral responsivity of double-barrier resonant tunneling diode // Proc. International School on. the Physics of Semiconductor Compounds. Jaszowiec (Poland). 2000. P. 99.

L. Eaves, P.C. Main, M. Henini, S.A. Vitusevich, A. Foerster, N. Klein, S.V. Danylyuk, A.E. Belyaev. Combined S- and Z-shaped current bistability induced by charging of quantum dots // Springer Proceedings in Physics.-v.87. Proc. International Conf. on the Physics of Semiconductors. Osaka (Japan). 2000. P. 773-774

S.A. Vitusevich, A.E. Belyaev, N.Klein, W. Reetz, A. Foerster, S.V. Danylyuk, D.I. Sheka. Electrical and optical properties of resonant tunneling structures with interdigitated gates // Proc.Workshop on Compound Semiconductor Devices and Interdigitated Circuits held in Europe. Sardinia(Italy). 2001. P. 119-120

A.E.Belyaev, S.A.Vitusevich, L.Eaves, P.C.Main, M.Henini, A.Foerster, W.Reetz, S.V.Danylyuk. Photoresponse spectra in a p-i-n diodes containing quantum dots // Proc. Conf. “Nanophotonics-2001”. Nyzhny Novgorod (Russia). 2001.

A.E.Belyaev, S.A.Vitusevich, L.Eaves, P.C.Main, M.Henini, A.Foerster, W.Reetz, S.V.Danylyuk. Photoresponse spectra in a p-i-n diodes containing quantum dots // Nanotechnology. 2002. v.13. P. 94-96.

A.E.Belyaev. A.Patane, L.Eaves, P.C.Main, M.Henini, S.V.Danylyuk. Double injection currents in p-i-n diodes incorporating self-assembled quantum dots // Proc. of International Symp.“Nanostructures: Physics and Technology”. St. Peterburg(Russia). 2001. P. 316-319.

S.A.Vitusevich, A.Forster, A.E.Belyaev, D.I.Sheka, H.Luth, N.Klein, S.V.Danylyuk, R.V.Konakova. Resonant-tunneling effect in a periodically modulated electrical field // Proc. Intern. Conf. on Modulated Semiconductor Structures. Linz (Austria). 2001.

S.A.Vitusevich, A.Forster, H.Luth, A.E.Belyaev, S.V.Danylyuk, R.V.Konakova, D.I.Sheka. Resonant spectroscopy of electric-field-induced superlattices // J.Appl.Phys. 2001. v.90. N 6. P. 2857-2861.

S.A.Vitusevich, A.Forster, H.Luth, A.E.Belyaev, S.V.Danylyuk, R.V.Konakova, D.I.Sheka. Electric-field-induced superlattices // Proc. International School on Physics of Semiconducting Compounds. Jaszowiec (Poland). 2001. P. 58.

S.A.Vitusevich, A.Forster, A.E.Belyaev, D.I.Sheka, H.Luth, N.Klein, S.V.Danylyuk, R.V.Konakova. Resonant-tunneling effect in a periodically modulated electrical field // Physica E. 2002. v. 13. p. 811-814.

G. Kiesslich, A.Wacker, E.Scholl, S.A.Vitusevich, A.E.Belyaev, S.V.Danylyuk, A.Forster, N.Klein, M. Henini. Nonlinear charging effect of quantum dots in a p-i-n diode.// Phys.Rev. B. 2003. v.68. p. 1653XX-1. 1653XX-6.