Способ определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода



Способ определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода
Способ определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода
Способ определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода
Способ определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода
Способ определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода
Способ определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода
Способ определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода

 


Владельцы патента RU 2578051:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" (RU)

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.

 

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)

τrec - время рекомбинации электронно-дырочной пары;

τ1esc, τ2esc и τ3esc - 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 r2esc 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 τ1esc и τ3esc определяют аналогичным образом.

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

где Mc - число минимумов зоны проводимости; me, - эффективная масса электронов в материале матрицы GaAs и в смачивающем слое InAs; g0(g1) - вырождение пустого (заполненного) энергетического уровня; σn - сечение захвата электронов КТ; Eb - 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; Wm - статистический вес для m фононной моды; - энергия фонона. При этом статистический вес Wm определяют с помощью следующего выражения

где SHR - параметр Хуанга-Риса, Im - модифицированная функция Бесселя m порядка.

Высоту барьера Eb 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).

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)
τrec - время рекомбинации электронно-дырочной пары;
τ1esc, τ2esc и τ3esc - 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области инновационных технологий и может быть использовано для определения параметров кристаллов силленитов, определяющих эффективность перспективных технических систем, и их экспресс-характеризации методами диэлектрической спектроскопии.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для проведения ускоренных испытаний и получения сравнительной оценки надежности металлической разводки при производстве интегральных схем.

Изобретение относится к электронной технике, к области производства и эксплуатации интегральных схем, может быть использовано для проведения комплекса мероприятий по подготовке образцов изделий радиоэлектронной аппаратуры, к проведению испытаний на стойкость, к воздействию ионизирующего излучения космического пространства.

Изобретение относится к вопросам проектирования схемотехники и топологии интегральных схем и может быть использовано для коррекции топологии БИС, гибридных тонко- и толстопленочных микросхем, а также совмещенных ГИС.

Использование: для климатических испытаний готовых полупроводниковых приборов при одновременном измерении их электрических параметров. Сущность изобретения заключается в том, что термокамера содержит корпус, в котором размещена рабочая камера, вентилятор, узел очистки рециркуляционного воздуха, установленный в нагнетательном патрубке и выполненный в виде соосно соединенных суживающегося диффузора с винтообразными канавками на внутренней поверхности и расширяющегося сопла, в котором размещено осушивающее устройство в виде емкости, вентилятор снабжен приводом с регулятором скорости вращения, соединенным с выходами регулятора температуры и регулятора давления, и датчиками температуры и давления, подсоединенными соответственно к регулятору температуры и давления, каждый из которых содержит блок сравнения и блок задания, выпрямитель, который на входе подключен к регулятору скорости в виде блока порошковых электромагнитных муфт привода вентилятора, при этом на внутренней поверхности расширяющегося сопла выполнены винтообразные канавки, узел очистки рециркуляционного воздуха снабжен сеткой, выполненной из биметалла, установленной после внутренней круговой канавки на входе в суживающийся диффузор и соединенной с накопителем загрязнений, при этом на наружной поверхности корпуса расположен тонковолокнистый базальтовый материал, выполненный в виде витых пучков по высоте корпуса.

Изобретение относится к испытательной технике, применяемой при прочностных испытаниях (в частности, к испытаниям на прочность электронных плат (ЭП) при изготовлении).

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники, в частности к модификации электрофизических свойств полупроводниковых транзисторных структур. Способ включает определение критериальных параметров приборов, облучение в пассивном режиме ограниченной выборки однотипных полупроводниковых приборов слабым ИЭМП с варьируемыми параметрами, включая амплитуду импульса, его длительность и частоту следования, обработку экспериментальных данных статистическими методами путем сравнения критериальных параметров полупроводниковых приборов до и после облучения ИЭМП, по результатам которой выявляют положительный эффект модификации и производят повторное облучение необработанных полупроводниковых приборных структур при оптимальных для этого типа приборных структур режимах генерации ИЭМП.
Изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно к способам отбраковки мощных светодиодов на основе InGaN/GaN, излучающих в видимом диапазоне длин волн. Способ отбраковки мощных светодиодов на основе InGaN/GaN включает проведение измерений при комнатной температуре в любой последовательности падений напряжения в прямом и обратном направлениях и плотностей тока на светодиодах, отбраковку по определенным критериям, последующее проведение старения светодиодов при определенных условиях, повторное проведение упомянутых измерений при первоначальных условиях, кроме одного, с окончательной отбраковкой ненадежных светодиодов.

Изобретение относится к нанотехнологии и может применяться при изготовлении планарных двухэлектродных резистивных элементов запоминающих устройств. Способ получения резистивного элемента памяти включает в себя создание проводящих электродов на непроводящей подложке, напыление в зазор между электродами металлической пленки и последующий термический отжиг пленки.

Изобретение относится к области микроэлектроники. Технический результат направлен на повышение достоверности определения типа и количества загрязняющих примесей на поверхности полупроводниковых пластин после плазмохимического травления и определения оптимального значения длительности времени травления.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для бесконтактного неразрушающего определения диффузионной длины носителей заряда в полупроводниковых пластинах, в том числе покрытых прозрачным слоем диэлектрика. Способ измерения диффузионной длины носителей заряда в полупроводниковых пластинах включает измерение сигнала, пропорционального неравновесной концентрации носителей заряда, возникающей в точке тестирования полупроводниковой пластины вследствие их диффузии из областей генерации, создаваемых на различных расстояниях от точки тестирования за счет формирования в этих областях световых пятен малой площади излучением из спектрального диапазона внутреннего фотоэффекта в полупроводнике, построение опытной зависимости амплитуды измеренного сигнала от расстояния между световым пятном и точкой тестирования, сравнение опытной зависимости с аналогичными зависимостями, рассчитанными теоретически, при этом для проведения измерений без установления электрического контакта с исследуемой пластиной сигнал, пропорциональный неравновесной концентрации носителей заряда в точке тестирования, получают путем пропускания через пластинку инфракрасного излучения с длиной волны из области прозрачности исследуемого полупроводника и измерения интенсивности прошедшего через пластину излучения. Также предложено устройство для измерения длины диффузии носителей заряда в полупроводниковых пластинах. Изобретение обеспечивает возможность выполнять измерения длины диффузии носителей заряда в полупроводниковых пластинах без установления электрического контакта с образцом непосредственно в тех областях, где будут изготовлены приборы, а также в пластинах, покрытых слоем прозрачного диэлектрика. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области нанотехнологий, а именно к способам измерения параметров наноструктур, и может быть использовано при определении электрофизических параметров конденсаторной структуры мемристора, характеризующих процесс формовки. Способ определения электрофизических параметров конденсаторной структуры мемристора, характеризующих процесс формовки, включает измерение вольт-амперных и импедансных характеристик. Новым является то, что выбирают мемристоры в виде конденсаторов металл - диэлектрик - полупроводник с соизмеримыми емкостями диэлектрика и области пространственного заряда полупроводника, и с отсутствием фиксации (пиннинга) уровня Ферми на этой границе раздела; для этих структур дополнительно измеряют спектральную характеристику конденсаторной фотоЭДС; из измеренных характеристик определяют электрофизические параметры структур, которые характеризуют происходящие при формовке изменения как в диэлектрике, так и на границе раздела диэлектрик/полупроводник и в полупроводнике: захват носителей заряда поверхностными состояниями на границе раздела диэлектрик/полупроводник, перемещение ионов, электрохимические реакции, дефектообразование. Изобретение обеспечивает расширение диагностических возможностей измерения характеристик и повышение степени прогнозирования электрофизических параметров мемристоров в виде МДП-конденсаторов для оптимизации технологии их изготовления при их разработке, кроме того, изобретение расширяет арсенал методов измерительной технологии в актуальной области изготовления мемристоров, являющихся основой нового поколения устройств энергонезависимой памяти. 1 з.п. ф-лы, , 4 ил.
Наверх