СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ КВАНТОВО-РАЗМЕРНОЙ СТРУКТУРЕ
METHOD OF DETERMINING CHARGE CARRIER CONCENTRATION PROFILE IN SEMICONDUCTOR QUANTUM-DIMENSIONAL STRUCTURE

Изобретение относится к области оптоэлектронной техники, микро- и наноэлектроники и может быть использовано для определения профиля распределения концентрации носителей заряда, накапливающихся в полупроводниковой квантово-размерной структуре.
Известны способы (аналоги) измерения спектров люминесценции, а именно измерение спектров люминесценции при облучении или возбуждении образца светом (фотолюминесценция), электронным пучком (катодолюминесценция) [1-3]. Недостатком данных способов является то, что они не позволяют по спектрам люминесценции определять профиль распределения концентрации носителей заряда в изучаемой структуре.
Известен способ (прототип) определения распределения концентрации носителей заряда в полупроводниковых гетероструктурах с квантовыми ямами, точками, основанный на самосогласованном решении уравнения Шредингера и Пуассона и подгонке результатов их решения к вольт-фарадным характеристикам [4].
Недостатки данного способа:
1. Необходимость формирования барьерных контактов для исследований структур методом вольт-фарадных характеристик.
2. Необходимость подбирать конфигурацию изучаемой структуры (толщины слоев, уровень легирования) таким образом, чтобы при изменении напряжения в диапазоне нескольких вольт край слоя объемного заряда (СОЗ) «сканировал» область, в которой происходит пространственное ограничение, размерное квантование носителей заряда, т.е. область с квантовой ямой или квантовыми точками. В высокоомных диодных гетероструктурах толщина СОЗ и барьерная емкость структуры не зависит от прикладываемого напряжения, что делает невозможным найти профиль распределения концентрации носителей заряда.
Предлагаемый способ позволяет определять профиль распределения концентрации носителей заряда в квантово-размерной структуре без формирования барьерных контактов, независимо от уровня легирования гетероструктуры по анализу смещения на спектрах люминесценции линии излучения от рекомбинации размерно-квантованных, пространственно ограниченных носителей заряда и, тем самым, устранить недостатки прототипа.
Суть способа заключается в том, что измеряют спектр люминесценции при низком уровне возбуждения, далее увеличивают уровень возбуждения до появления сдвига линии излучения от рекомбинации размерно-квантованных, пространственно ограниченных носителей заряда, профиль распределения концентрации носителей заряда в квантово-размерной структуре определяют из зависимости величины сдвига по энергии линии излучения на спектрах люминесценции:
L
n(x)=f(ΔE, x),
L
L
где n(x) - профиль распределения концентрации носителей заряда в квантово-размерной структуре, x - координата на оси координат, вдоль которой происходит пространственное ограничение движения носителей заряда в структуре, ΔE - сдвиг по энергии линии излучения от рекомбинации размерно-квантованных, пространственно ограниченных носителей заряда, f(ΔE, x) - зависимость профиля распределения концентрации носителей заряда в квантово-размерной структуре от величины сдвига по энергии линии изучения.
В частности, определение профиля распределения концентрации носителей заряда рассмотрим на примере высокоомной квантово-размерной структуры (КРС) с частичным перекрытием запрещенных зон материалов слоев (фиг.1), таким образом, что для электронов образуется квантовая яма (КЯ). КРС образована барьерным (буферным) слоем, выращенным на подложке, слоем КЯ и покровным слоем, выращиванием которого обычно завершается рост слоистой структуры.
Для получения информации об энергии излучательных переходов и ширине линий излучения, как правило, КРС изучают методами фото- и катодолюминесценции [1-3]. При увеличении тока накачки электронным пучком в КРС с частичным перекрытием запрещенных зон, например, как на фиг.1, на спектрах люминесценции наблюдается «синее» смещение линии излучения от рекомбинации носителей заряда с основного уровня размерного квантования в КЯ. Одна из причин наблюдаемого смещения может заключаться в следующем: при попадании электронного пучка на поверхность покровного слоя изучаемой структуры электроны проникают вглубь структуры, занимают энергетически более выгодное положение; отрицательный заряд электронов в КЯ будет притягивать дырки со всего объема структуры в прилегающие к КЯ барьерные слои и приводить к изгибу зон таким образом, что для дырок будет образовываться треугольная КЯ (фиг.2).
Размерное квантование дырок будет приводить к изменению энергии излучательного перехода от рекомбинации пространственно-ограниченных электронов с пространственно-ограниченными дырками в треугольной КЯ, изменению профиля распределения концентрации носителей заряда в барьерных слоях и слое КЯ. Несмотря на пространственное разделение электронов и дырок, переход электронов в валентную зону оказывается возможным за счет перекрытия волновых функций электронов и дырок. Изменение энергии излучательного перехода связано с изменением зонной диаграммы КРС и, следовательно, профиля распределения концентрации электронов и дырок в КРС. Энергия размерного квантования для дырок также зависит от профиля распределения концентрации электронов и дырок.
Для количественной оценки рассматриваемых эффектов и нахождения профиля распределения концентрации носителей заряда необходимо решить самосогласованно уравнения Шредингера и Пуассона с использованием величины сдвига по энергии линии излучения от рекомбинации размерно-квантованных, пространственно ограниченных носителей заряда [4].
В КРС, возбужденных лазерным или электронным пучком, основным каналом рекомбинации неравновесных электронно-дырочных пар является переход между основными состояниями размерного квантования электронов и дырок в соответствующих зонах (фиг.2). Энергетическое положение излучательного перехода в этом случае содержит в себе информацию о ширине запрещенной зоны материала, величинах энергий основных состояний электронов и тяжелых (легких) дырок, а также о величине энергии связи экситона.
L
hhl
L
hhl
hhl
Энергия оптического межзонного перехода является функцией состава и толщин барьерных слоев и слоев КЯ, профиля распределения концентрации электронов и дырок в КРС. Сдвиг по энергии на спектре люминесценции линии излучения от рекомбинации размерно-квантованных, пространственно ограниченных носителей заряда ΔE при увеличении уровня возбуждения или накачки в данном случае будет определяться энергией размерного квантования дырки в треугольной КЯ E, поэтому в данном случае сдвиг по энергии ΔE=E, а величина E, в свою очередь, определяется профилем распределения концентрации дырок в барьерных слоях и электронов в слое КЯ, который рассчитывается при самосогласованном решении уравнений Шредингера и Пуассона.
L
L
Предложенный способ позволяет по изменению положения на спектре люминесценции линии излучения от рекомбинации размерно-квантованных, пространственно ограниченных носителей заряда ΔE в квантово-размерной гетероструктуре рассчитать профиль распределения концентрации носителей заряда n(x)=f(ΔE, x).
Сущность изобретения поясняется следующим графическим материалом:
- Фигура 1 - Зонная диаграмма квантово-размерной гетероструктуры с частичным перекрытием запрещенных зон.
- Фигура 2 - Изменение зонной диаграммы квантово-размерной гетероструктуры при увеличении уровня накачки.
Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения «новизна», т.к. в известных источниках не обнаружен предложенный способ определения профиля распределения концентрации носителей заряда.
Технико-экономический эффект предложенного метода заключается в расширении возможностей традиционных методов измерения люминесценции, профилей распределения концентрации носителей заряда в полупроводниковых квантово-размерных структурах и развитии новых методов исследования и диагностики материалов и структур микро- и наноэлектроники.
Литература
[1] Воробьев Л.Е., Ивченко Е.Л., Фирсов Д.А., Шалыгин В.А. Оптические свойства наноструктур: Учебное пособие / Под ред. Е.Л.Ивченко и Л.Е.Воробьева. СПб.: Наука, 2001. - 188 с.
[2] Спивак Г.В., Петров В.И., Антошин М.К. Локальная катодолюминесценция и ее возможности для исследования зонной структуры твердых тел // УФН. 1986. - Вып.4. - С.659-717.
[3] Петров В.И. Сканирующая катодолюминесцентная микроскопия // Известия РАН. Серия физическая. 1992. - №3. - С.2-30.
[4] Зубков В.И. Диагностика полупроводниковых наногетероструктур методами спектроскопии адмиттанса. СПб.: ООО «Техномедиа» / Изд-во «Элмор», 2007. - 220 с.
[5] Шифф Л. Квантовая механика. - М.: Изд-во иностр. л-ры, 1959. - 475 с.