СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ МЕЖУРОВНЕВОЙ РЕЛАКСАЦИИ ЭЛЕКТРОНА В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОПЕРЕХОДА ПЕРВОГО РОДА
METHOD OF DETERMINING INTERLAYER ELECTRON RELAXATION TIME IN SEMICONDUCTOR QUANTUM DOTS BASED ON FIRST TYPE HETEROJUNCTION

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,
32
0
1
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 τ получают температурные и/или полевые зависимости квантовой эффективности эмиссии η электронно-дырочных пар, возникающих при фотогенерации в области основного оптического перехода, и квантовой эффективности эмиссии η 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)
rec
τ - время рекомбинации электронно-дырочной пары;
1esc
2esc
3esc
τ, τ и τ - результирующее эмиссионное время жизни, соответственно дырки, электрона в основном состоянии и электрона в первом возбужденном состоянии;
23
τ - время перехода электрона из основного состояния в возбужденное;
32
τ - время межуровневой релаксации электрона;
0
1
32
после чего сравнивают логарифмы полученных величин квантовой эффективности эмиссии η и η 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 τ с выбранным шагом изменения этой величины в пределах предполагаемого интервала
32
и по величине времени межуровневой релаксации электрона τ, 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.
0
1
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 η и η 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.
32
0
1
-14
-10
Для всех величин температуры указанной структуры (а также напряженности электрического поля) и предполагаемого интервала величин времени межуровневой релаксации электрона τ (10-10 с) получают температурные (а также полевые) зависимости квантовой эффективности эмиссии η электронно-дырочных пар, возникающих при фотогенерации в области основного оптического перехода, и квантовой эффективности эмиссии η 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).
2esc
При этом время r определяют с помощью выражения
1esc
3esc
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 и τ определяют аналогичным образом.
Времена  и  в выражении (3) определяют в соответствии со следующими выражениями
c
e
0
1
n
b
где M - число минимумов зоны проводимости; m,  - эффективная масса электронов в материале матрицы GaAs и в смачивающем слое InAs; g(g) - вырождение пустого (заполненного) энергетического уровня; σ - сечение захвата электронов КТ; E - 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
m
m
где m - число LO-фононов, вовлеченных в процесс эмиссии;  - максимально возможное число фононов; W - статистический вес для m фононной моды;  - энергия фонона. При этом статистический вес W определяют с помощью следующего выражения
HR
m
где S - параметр Хуанга-Риса, I - модифицированная функция Бесселя m порядка.
b
Высоту барьера E 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.
23
Время τ определяют с помощью следующего выражения
10
32
-14
-10
где ΔE - расстояние между уровнями размерного квантования электронов, а величины времени τ содержатся в предполагаемом интервале (10-10 с).
0
1
32
После чего логарифмы полученных величин квантовой эффективности эмиссии η электронно-дырочных пар, возникающих при фотогенерации в области основного оптического перехода и квантовой эффективности эмиссии η 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 τ с логарифмическим шагом изменения этой величины на уровне варьирования ее порядка в пределах указанного выше предполагаемого интервала этой величины до минимального расхождения сравниваемых логарифмов.
-12
0
1
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 с - время межуровневой релаксации электрона, которое соответствует минимальному расхождению кривых η и η и наборов точек логарифмов построенных величин нормированной фоточувствительности в области основного и первого возбужденного оптических переходов в квантовых точках.
21
Определенное изложенным образом время межуровневой релаксации электрона хорошо согласуется с порядком величины указанного времени, определяемой известным прямым методом (см., например время τ 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).