Способ определения степени влияния дефектообразования на рекомбинационное время жизни носителей в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода

Изобретение относится к технологии косвенного контроля степени влияния дефектообразования на рекомбинационное время жизни носителей в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода, повышающего эффективность изготовления приборов оптоэлектроники. Технический результат заявляемого изобретения - разработка эффективного косвенного способа определения изменения рекомбинационного времени жизни носителей в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода в связи с изменением концентрации точечных дефектов в слое указанных квантовых точек, 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 стандартного оборудования. В заявленном способе измеряют спектры фоточувствительности при различных температурах у двух фотодиодных структур, низкодефектной и высокодефектной, содержащих слой квантовых точек, различающихся концентрацией точечных дефектов в последнем, по измеренным спектрам строят температурные зависимости фоточувствительности в области основного оптического перехода квантовых точек и нормируют построенные зависимости по высокотемпературному участку насыщения, затем путем соответствующих измерений параметров для низкодефектной и высокодефектной фотодиодных структур и соответствующих расчетов судят об искомом изменении величины рекомбинационного времени жизни носителей, соответствующем повышению концентрации точечных дефектов в слое квантовых точек. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к технологии косвенного контроля степени влияния дефектообразования на рекомбинационное время жизни носителей в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода, повышающего эффективность изготовления приборов оптоэлектроники.

Оценка изменения рекомбинационного времени жизни носителей в полупроводниковых квантовых точках, связанного с появлением в них точечных дефектов в связи проведением технологических операций при изготовлении полупроводниковых приборов или при эксплуатации последних в неблагоприятных внешних фоновых условиях, важна в качестве одного из диагностических факторов повышения качества указанных приборов и их надежности.

Известен прямой метод определения рекомбинационного времени жизни по кинетике спада фотолюминесценции (см., например, статью на англ. яз. авторов Buckle P.D. et al. Photoluminescence decay time measurements from self-organized InAs/GaAs quantum dots. - J. Appl. Phys. 1999, v. 86, №5, p. 2555-2562).

Однако этот метод требует дорогостоящего оборудования, и возникают трудности в его реализации из-за отсутствия фотолюминесценции в сильно дефектных структурах, в связи с чем можно сделать вывод о неудовлетворительном состоянии в целом арсенала средств контроля изменения рекомбинационного времени жизни носителей в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода в связи с изменением концентрации точечных дефектов в слое указанных квантовых точек, которое для задачи повышения эффективности излучательной рекомбинации имеет актуальное практическое значение.

Уровень техники в рассматриваемой области характеризуется отсутствием информационных источников, содержащих сведения о косвенном методе определения изменения рекомбинационного времени жизни носителей в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода в связи с изменением концентрации точечных дефектов в слое указанных квантовых точек, который востребован в условиях необходимости предварительного контроля полупроводникового материала в расширенных условиях его доступности.

Технический результат заявляемого изобретения - разработка эффективного косвенного способа определения изменения рекомбинационного времени жизни носителей в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода в связи с изменением концентрации точечных дефектов в слое указанных квантовых точек, 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 изменения рекомбинационного времени жизни носителей в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода, создавая возможность определения степени влияния дефектообразования на рекомбинационное время жизни указанных носителей и развивая таким образом возможности диагностики полупроводникового дефектообразования, расширяет арсенал методов измерительной технологии в актуальной области квантово-размерных структур.

Для достижения указанного технического результата предлагаемый способ определения изменения рекомбинационного времени жизни носителей в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода в связи с изменением концентрации точечных дефектов в слое указанных квантовых точек, проводят в следующем порядке:

измеряют спектры фоточувствительности при различных температурах по крайней мере двух, низкодефектной и высокодефектной, фотодиодных структур, содержащих слой квантовых точек, различающихся концентрацией точечных дефектов в последнем,

и по измеренным спектрам строят температурные зависимости фоточувствительности в области основного оптического перехода квантовых точек и нормируют построенные зависимости по высокотемпературному участку насыщения,

затем для низкодефектной фотодиодной структуры, при всех величинах температуры и параметров квантовых точек в ожидаемом интервале величин параметров квантовых точек, для каждого из нескольких предполагаемых величин рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке получают температурные зависимости квантовой эффективности эмиссии электронно-дырочных пар, возникающих при фотогенерации в области основного оптического перехода в квантовых точках низкодефектной фотодиодной структуры, на основе использования модельной функциональной зависимости указанной квантовой эффективности эмиссии от температуры фотодиодных структур и параметров квантовых точек, построенной с помощью кинетических уравнений Больцмана, применяемых для неравновесных носителей в квантовых точках,

после чего сравнивают логарифмы полученных величин квантовой эффективности эмиссии с логарифмами величин нормированной фоточувствительности низкодефектной фотодиодной структуры во всем диапазоне температур и наборов величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры для каждого из указанных нескольких предполагаемых величин рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке

и выбирают наборы величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры, соответствующие минимальному расхождению сравниваемых логарифмов, для каждой из указанных нескольких предполагаемых величин рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке,

затем для высокодефектной фотодиодной структуры, при всех величинах температуры и рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке в ожидаемом интервале величин указанного рекомбинационного времени жизни, для каждого выбранного набора величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры получают аналогичные температурные зависимости квантовой эффективности эмиссии электронно-дырочных пар, возникающих при фотогенерации в области основного оптического перехода в квантовых точках высокодефектной фотодиодной структуры,

после чего сравнивают логарифмы полученных величин квантовой эффективности эмиссии с логарифмами величин нормированной фоточувствительности высокодефектной фотодиодной структуры во всем диапазоне температур и рекомбинационных времен жизни носителей в квантовой точке высокодефектной фотодиодной структуры для каждого из выбранных наборов величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры,

и для каждого из выбранного набора величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры выбирают величину рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке высокодефектной фотодиодной структуры, соответствующего минимальному расхождению сравниваемых логарифмов,

наконец, по средней величине отношений выбранных величин рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке высокодефектной фотодиодной структуры к соответствующим указанным нескольким предполагаемым величинам рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке низкодефектной фотодиодной структуры, задающим каждая свой из указанных выбранных наборов величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры, судят об искомом изменении величины рекомбинационного времени, соответствующем повышению концентрации точечных дефектов в слое квантовых точек.

В частном случае осуществления предлагаемого способа у двух фотодиодных структур с диодом Шоттки, изготовленных на структурах GaAs с квантовыми точками InAs, встроенными в области пространственного заряда на основе гетероперехода первого рода с различной концентрацией точечных дефектов, связанных с нанесением Со на покровный слой GaAs и характеризующих указанные фотодиодные структуры как низкодефектную и высокодефектную при термическом напылении Со толщиной 20 нм при температуре 90°С, соответственно на покровный слой GaAs толщиной 30 нм и 15 нм,

измеряют спектры фоточувствительности в области поглощения квантовых точек при различных температурах путем освещения модулированным монохроматическим светом,

и по измеренным спектрам строят температурные зависимости фоточувствительности в области пика основного оптического перехода квантовых точек и нормируют построенные зависимости по высокотемпературному участку насыщения в интервале 260-300°С,

затем для указанной низкодефектной фотодиодной структуры, при всех величинах температуры и параметров квантовых точек в ожидаемом интервале величин параметров квантовых точек, для предполагаемых величин рекомбинационного времени жизни, составляющих 0.5, 1 и 2 нс, получают температурные зависимости квантовой эффективности эмиссии электронно-дырочных пар, возникающих при фотогенерации в области основного оптического перехода в квантовых точках указанной низкодефектной фотодиодной структуры, на основе трех серий модельных расчетов указанной квантовой эффективности эмиссии с помощью кинетических уравнений Больцмана, применяемых для неравновесных носителей в квантовых точках, по формулам (1-9) зависимости квантовой эффективности эмиссии от температуры и параметров квантовых точек, приведенным ниже в описании примера выполнения настоящего изобретения,

после чего сравнивают логарифмы полученных величин квантовой эффективности эмиссии с логарифмами величин нормированной фоточувствительности указанной низкодефектной фотодиодной структуры во всем диапазоне температур и наборов величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры для каждого из трех указанных предполагаемых величин рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке

и выбирают три набора (наборы А, В и С) величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры, включающие каждый высоту эмиссионных барьеров для электронов и дырок, время межуровневой релаксации электрона, расстояние между уровнями размерного квантования электронов, эффективную высоту квантовой точки, сечение захвата электронов и дырок, энергию дна нижней электронной подзоны размерного квантования в смачивающем слое и параметр Хуанга-Рис, приведенные ниже в описании примера выполнения настоящего изобретения и соответствующие минимальному расхождению сравниваемых логарифмов, при соответствии указанных наборов трем указанным предполагаемым величинам рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке,

затем для указанной высокодефектной фотодиодной структуры, при всех величинах температуры и рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке в ожидаемом интервале величин указанного рекомбинационного времени жизни, для каждого указанного выбранного набора величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры получают аналогичные температурные зависимости квантовой эффективности эмиссии электронно-дырочных пар, возникающих при фотогенерации в области основного оптического перехода в квантовых точках высокодефектной фотодиодной структуры,

после чего сравнивают логарифмы полученных величин квантовой эффективности эмиссии с логарифмами величин нормированной фоточувствительности высокодефектной фотодиодной структуры во всем диапазоне температур и рекомбинационных времен жизни носителей в квантовой точке высокодефектной фотодиодной структуры для каждого из выбранных наборов величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры

и для трех указанных выбранных наборов величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры выбирают соответствующие три величины рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке высокодефектной фотодиодной структуры 0.097, 0.21 и 0.37 нс, при которых расхождение сравниваемых логарифмов минимально,

наконец, по средней величине отношений выбранных величин рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке высокодефектной фотодиодной структуры к соответствующим указанным нескольким предполагаемым величинам рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке низкодефектной фотодиодной структуры, задающим каждая свой из указанных выбранных наборов величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры 0.097/0.5, 0.21/1 и 0.37/2, судят об искомом уменьшении в высокодефектной фотодиодной структуре величины рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке в ~5 раз в связи с указанным повышением концентрации точечных дефектов в слое квантовых точек.

Причем выполнение расчетных операций при проведении предлагаемого способа можно производить на основе использования метода компьютерного моделирования.

На фиг. 1 показана блок-схема экспериментальной установки для измерений спектров фоточувствительности в области поглощения квантовых точек фотодиодных структур при различных температурах; на фиг. 2 - измеренные с помощью установки на фиг. 1 спектры фоточувствительности низкодефектной и высокодефектной фотодиодных структур с диодом Шоттки, содержащих в области пространственного заряда слой квантовых точек InAs/GaAs, при одной из температур; на фиг. 3 - построенные температурные зависимости нормированной фоточувствительности низкодефектной и высокодефектной фотодиодных структур с диодом Шоттки, содержащих в области пространственного заряда слой квантовых точек InAs/GaAs, в области основного оптического перехода в указанных квантовых точках; на фиг. 4 - графический результат сравнения логарифмов полученных величин квантовой эффективности эмиссии η0 с логарифмами нормированной построенной фоточувствительности низкодефектной и высокодефектной фотодиодных структур в области основного и оптического перехода в квантовых точках во всем диапазоне температур измерения в предположении, что рекомбинационное время жизни в низкодефектной фотодиодной структуре составляет 0.5 нс, на фиг. 5 - графический результат сравнения логарифмов полученных величин квантовой эффективности эмиссии η0 с логарифмами нормированной построенной фоточувствительности низкодефектной и высокодефектной фотодиодных структур в области основного и оптического перехода в квантовых точках во всем диапазоне температур измерения в предположении, что рекомбинационное время жизни в низкодефектной фотодиодной структуре составляет 1 нс, на фиг. 6 - графический результат сравнения логарифмов полученных величин квантовой эффективности эмиссии η0 с логарифмами нормированной построенной фоточувствительности низкодефектной и высокодефектной фотодиодных структур в области основного и оптического перехода в квантовых точках во всем диапазоне температур измерения в предположении, что рекомбинационное время жизни в низкодефектной фотодиодной структуре составляет 2 нс.

Экспериментальная установка для измерений спектров фоточувствительности в области поглощения квантовых точек фотодиодных структур в примере выполнения способа содержит монохроматор 1 (МДР-2), 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 510), оптический криостат 7 и персональный компьютер 8.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Изготавливают фотодиоды на структурах GaAs с квантовыми точками InAs, встроенными в область пространственного заряда, с покровным слоем GaAs 30 и 15 нм, путем термического напыления на данный покровный слой контактного слоя Со 20 нм при температуре 90°С. В структуре с покровным слоем GaAs 15 нм следует ожидать большей концентрации точечных дефектов в слое квантовых точек, проникающих в него от границы GaAs с Со (см. закладывающую экспериментальные предпосылки настоящего изобретения без раскрытия его сущности статью Волковой Н.С. и др. Влияние нанесения кобальта на оптоэлектронные свойства квантово-размерных гетеронаноструктур In(Ga)As/GaAs. - Физика и техника полупроводников. 2015, т. 49, вып. 12, с. 1640-1642).

С помощью изложенной экспериментальной установки при различных температурах измеряют спектры фоточувствительности изготовленных низкодефектной (покровный слой GaAs 30 нм) и высокодефектной (покровный слой GaAs 15 нм) фотодиодных структур с диодом Шоттки в области поглощения квантовых точек (см., например, измеренные указанные спектры при комнатной температуре на фиг. 2).

При этом образец 9 указанных фотодиодных структур в виде пластинки с размерами 1×1 см с нанесенными на лицевую поверхность Со 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 фотодиодную структуру подключают к токовому входу селективного усилителя 6 с синхронным детектированием сигнала. Сигнал с выхода селективного усилителя 6, возникающий при освещении фотодиодной структуры модулированным монохроматическим светом, оцифровывают аналого-цифровым преобразователем (на фиг. 1 не показан) и направляют в персональный компьютер 8. При построении спектров фоточувствительности величина измеряемого сигнала делится на спектральную зависимость падающего на образец света.

По измеренным спектрам строят температурные зависимости фоточувствительности низкодефектной и высокодефектной фотодиодных структур в области пика основного оптического перехода в квантовых точках и нормируют построенные зависимости по высокотемпературному участку насыщения в интервале 260-300°С (см., например, температурные зависимости нормированной фоточувствительности указанных фотодиодных структур в области основного оптического перехода в указанных квантовых точках на фиг. 3).

В отсутствие точной информации о рекомбинационном времени жизни в квантовых точках в низкодефектной фотодиодной структуре было выполнено три серии теоретических расчетов квантовой эффективности эмиссии электронно-дырочных пар из квантовых точек InAs в матрицу GaAs в предположении, что упомянутое рекомбинационное время жизни составляет 0.5, 1 и 2 нс. Квантовая эффективность эмиссии рассчитывалась на основе использования следующего выражения, представляющего собой функцию от температуры фотодиодных структур, напряженности электрического поля в слое квантовых точек и параметров квантовых точек

где определяемые в соответствии с указанными ниже составными выражениями (2-9)

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.

При этом время τ2esc 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 (2) определяют в соответствии со следующими выражениями

где Мс - число минимумов зоны проводимости; mе, - эффективная масса электронов в материале матрицы GaAs и в смачивающем слое InAs; g0(g1) - вырождение пустого (заполненного) энергетического уровня; σn - сечение захвата электронов квантовой точкой; Eb - высота потенциального барьера в квантовой точке; F - напряженность электрического поля в окрестности слоя квантовых точек; - дно нижней электронной подзоны в смачивающем слое.

А время в выражении (2) 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 (напряженность которого в квантовых точках низкодефектной и высокодефектной фотодиодной структуры составляла 57 и 68 кВ/см соответственно) в выражениях (3 и 5) 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.

Для каждого из указанных трех рекомбинационных времен жизни сравнивают логарифмы квантовой эффективности эмиссии, рассчитанной во всем диапазоне температур и для каждого набора значений параметров квантовых точек, с логарифмами нормированной фоточувствительности низкодефектной фотодиодной структуры.

Затем для каждого из указанных трех рекомбинационных времен жизни определяют набор значений параметров квантовых точек, соответствующий минимальному расхождению сравниваемых логарифмов.

При рекомбинационном времени жизни 0.5 нс наилучшее согласие между температурной зависимостью нормированной фоточувствительности и эффективности эмиссии было получено при следующих значениях параметров квантовых точек (набор А):

Высота эмиссионного барьера для электронов Еb(n)=201 мэВ,

Высота эмиссионного барьера для дырок Еb(hh)=299 мэВ,

время межуровневой релаксации электрона τе1→e0=10 пс,

расстояние между уровнями размерного квантования электронов ΔE10=82 мэВ,

эффективная высота КТ L=11 нм,

сечение захвата электронов (дырок КТ) σn(hh)=5⋅10-12 см2,

энергия дна нижней электронной подзоны размерного квантования в смачивающем слое InAs мэВ,

параметр Хуанга-Рис SHR=0.5.

Графический результат изложенного сравнения для рекомбинационного времени жизни в низкодефектной фотодиодной структуре 0.5 нс и указанного выше набора (А) параметров квантовых точек показан на фиг. 4 (точки - нормированная фоточувствительность в низкодефектной структуре, сплошная кривая - результат расчета квантовой эффективности эмиссии).

При рекомбинационном времени жизни 1 нс наилучшее согласие между температурной зависимостью нормированной фоточувствительности и эффективности эмиссии было получено при следующих значениях параметров квантовых точек (набор В):

Высота эмиссионного барьера для электронов Еb(n)=208 мэВ,

Высота эмиссионного барьера для дырок Еb(hh)=292 мэВ,

время межуровневой релаксации электрона τе1→е0=10 пс,

расстояние между уровнями размерного квантования электронов ΔE10=82 мэВ,

эффективная высота КТ L=7 нм,

сечение захвата электронов (дырок КТ) σn(hh)=5⋅10-12 см2,

энергия дна нижней электронной подзоны размерного квантования в смачивающем слое InAs мэВ,

параметр Хуанга-Рис SHR=0.5.

Графический результат изложенного сравнения для рекомбинационного времени жизни в низкодефектной фотодиодной структуре 1 нс и указанного выше набора (В) параметров квантовых точек показан на фиг. 5 (точки - нормированная фоточувствительность в низкодефектной структуре, сплошная кривая - результат расчета квантовой эффективности эмиссии).

При рекомбинационном времени жизни 2 нс наилучшее согласие между температурной зависимостью нормированной фоточувствительности и эффективности эмиссии было получено при следующих значениях параметров квантовых точек (набор С):

высота эмиссионного барьера для электронов Еb(n)=219 мэВ,

высота эмиссионного барьера для дырок Еb(hh)=281 мэВ,

время межуровневой релаксации электрона τе1→е0=10 пс,

расстояние между уровнями размерного квантования электронов ΔE10=82 мэВ,

эффективная высота КТ L=7 нм,

сечение захвата электронов (дырок КТ) σn(hh)=5⋅10-12 см2,

энергия дна нижней электронной подзоны размерного квантования в смачивающем слое InAs мэВ,

параметр Хуанга-Рис SHR=0.5.

Графический результат изложенного сравнения для рекомбинационного времени жизни в низкодефектной фотодиодной структуре 2 нс и указанного выше набора (С) параметров квантовых точек показан на фиг. 6 (точки - нормированная фоточувствительность в низкодефектной структуре, сплошная кривая - результат расчета квантовой эффективности эмиссии).

Для высокодефектной фотодиодной структуры с концентрацией дефектов, связанных с нанесением Со на покровный слой GaAs 15 нм, для всех величин температуры и рекомбинационных времен жизни для данной фотодиодной структуры получают аналогичные температурные зависимости квантовой эффективности эмиссии при условии использования определенных ранее параметров квантовых точек за исключением рекомбинационного времени жизни, соответствующих рекомбинационным временам жизни для низкодефектной фотодиодной структуры, составляющих 0.5, 1 и 2 нс. Поскольку энергия основного оптического перехода в дефектной структуре (0.935 эВ) на 10 мэВ больше, чем в бездефектной (0.925 эВ), то высоты эмиссионных барьеров для электронов и для дырок при расчете брались на 5 мэВ меньше.

Для каждого из указанных трех рекомбинационных времен жизни для низкодефектной фотодиодной структуры сравнивают логарифмы квантовой эффективности эмиссии с логарифмами нормированной фоточувствительности высокодефектной фотодиодной структуры во всем диапазоне температур для каждого значения рекомбинационного времени жизни для высокодефектной фотодиодной структуры.

И для трех указанных выбранных наборов величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры выбирают соответствующие три величины рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке высокодефектной фотодиодной структуры 0.097, 0.21 и 0.37 нс, при которых расхождение сравниваемых логарифмов минимально.

Для случая рекомбинационного времени жизни в низкодефектной структуре 0.5 нс наилучшее согласие между температурной зависимостью нормированной фоточувствительности и эффективности эмиссии в высокодефектной структуре было получено при рекомбинационном времени жизни 0.097 нс (фиг. 4, треугольники - нормированная фоточувствительность в высокодефектной структуре, пунктирная кривая - результат расчета квантовой эффективности эмиссии в высокодефектной структуре). На фиг. 5, 6 показаны аналогичные построения, выполненные в предположении, что время жизни в низкодефектной структуре составляет 1 и 2 нс, соответствующие им определенные рекомбинационные времена жизни в высокодефектной структуре - 0.21 и 0.37 нс.

Наконец, по средней величине отношений выбранных величин рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке высокодефектной фотодиодной структуры к соответствующим указанным нескольким предполагаемым величинам рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке низкодефектной фотодиодной структуры, задающим каждая свой из указанных выбранных наборов (А, В и С) величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры 0.097/0.5, 0.21/1 и 0.37/2, судят об искомом уменьшении в высокодефектной фотодиодной структуре величины рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке в ~5 раз в связи с указанным повышением концентрации точечных дефектов в слое квантовых точек.

Таким образом, вне зависимости от выбора рекомбинационного времени жизни в низкодефектной структуре при приведенном в настоящем примере уровне увеличении дефектообразования это время, определяемое по предлагаемому способу, уменьшается в ~5 раз.

Предлагаемый способ применим для определения степени влияния дефектообразования на рекомбинационное время жизни носителей в широкой группе полупроводниковых квантовых точек, предпочтительно на основе следующих гетеропереходов первого рода: ZnSe/CdSe, ZnS/CdS, ZnTe/CdTe.

Вывод используемого выражения (1) основывается на решении системы пяти уравнений (2-5), 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, содержащей также сведения о формулах (6-9).

Таким образом, предлагаемый способ, представляющий собой новый эффективный косвенный метод определения степени влияния дефектообразования на рекомбинационное время жизни носителей в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода, обеспечивает выполнение указанной актуальной задачи на основе использования доступного стандартного оборудования в сочетании с возможностями компьютерного моделирования со сниженной трудоемкостью расчетов в результате использования выражения (1).

1. Способ определения изменения рекомбинационного времени жизни носителей в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода в связи с изменением концентрации точечных дефектов в слое указанных квантовых точек, характеризующийся тем, что предлагаемый способ проводят в следующем порядке:

измеряют спектры фоточувствительности при различных температурах по крайней мере двух, низкодефектной и высокодефектной, фотодиодных структур, содержащих слой квантовых точек, различающихся концентрацией точечных дефектов в последнем,

и по измеренным спектрам строят температурные зависимости фоточувствительности в области основного оптического перехода квантовых точек и нормируют построенные зависимости по высокотемпературному участку насыщения,

затем для низкодефектной фотодиодной структуры, при всех величинах температуры и параметров квантовых точек в ожидаемом интервале величин параметров квантовых точек, для каждого из нескольких предполагаемых величин рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке получают температурные зависимости квантовой эффективности эмиссии электронно-дырочных пар, возникающих при фотогенерации в области основного оптического перехода в квантовых точках низкодефектной фотодиодной структуры, на основе использования модельной функциональной зависимости указанной квантовой эффективности эмиссии от температуры фотодиодных структур и параметров квантовых точек, построенной с помощью кинетических уравнений Больцмана, применяемых для неравновесных носителей в квантовых точках,

после чего сравнивают логарифмы полученных величин квантовой эффективности эмиссии с логарифмами величин нормированной фоточувствительности низкодефектной фотодиодной структуры во всем диапазоне температур и наборов величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры для каждого из указанных нескольких предполагаемых величин рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке

и выбирают наборы величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры, соответствующие минимальному расхождению сравниваемых логарифмов, для каждой из указанных нескольких предполагаемых величин рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке,

затем для высокодефектной фотодиодной структуры, при всех величинах температуры и рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке в ожидаемом интервале величин указанного рекомбинационного времени жизни, для каждого выбранного набора величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры получают аналогичные температурные зависимости квантовой эффективности эмиссии электронно-дырочных пар, возникающих при фотогенерации в области основного оптического перехода в квантовых точках высокодефектной фотодиодной структуры,

после чего сравнивают логарифмы полученных величин квантовой эффективности эмиссии с логарифмами величин нормированной фоточувствительности высокодефектной фотодиодной структуры во всем диапазоне температур и рекомбинационных времен жизни носителей в квантовой точке высокодефектной фотодиодной структуры для каждого из выбранных наборов величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры,

и для каждого из выбранного набора величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры выбирают величину рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке высокодефектной фотодиодной структуры, соответствующего минимальному расхождению сравниваемых логарифмов,

наконец, по средней величине отношений выбранных величин рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке высокодефектной фотодиодной структуры к соответствующим указанным нескольким предполагаемым величинам рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке низкодефектной фотодиодной структуры, задающим каждая свой из указанных выбранных наборов величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры, судят об искомом изменении величины рекомбинационного времени, соответствующем повышению концентрации точечных дефектов в слое квантовых точек.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что у двух фотодиодных структур с диодом Шоттки, изготовленных на структурах GaAs с квантовыми точками InAs, встроенными в области пространственного заряда на основе гетероперехода первого рода с различной концентрацией точечных дефектов, связанных с нанесением Co на покровный слой GaAs и характеризующих указанные фотодиодные структуры как низкодефектную и высокодефектную при термическом напылении Co толщиной 20 нм при температуре 90°С, соответственно на покровный слой GaAs толщиной 30 нм и 15 нм,

измеряют спектры фоточувствительности в области поглощения квантовых точек при различных температурах путем освещения модулированным монохроматическим светом,

и по измеренным спектрам строят температурные зависимости фоточувствительности в области пика основного оптического перехода квантовых точек и нормируют построенные зависимости по высокотемпературному участку насыщения в интервале 260-300°С,

затем для указанной низкодефектной фотодиодной структуры, при всех величинах температуры и параметров квантовых точек в ожидаемом интервале величин параметров квантовых точек, для предполагаемых величин рекомбинационного времени жизни, составляющих 0.5, 1 и 2 нс, получают температурные зависимости квантовой эффективности эмиссии электронно-дырочных пар, возникающих при фотогенерации в области основного оптического перехода в квантовых точках указанной низкодефектной фотодиодной структуры, на основе трех серий модельных расчетов указанной квантовой эффективности эмиссии с помощью кинетических уравнений Больцмана, применяемых для неравновесных носителей в квантовых точках, по формулам зависимости квантовой эффективности эмиссии от температуры и параметров квантовых точек, приведенным в описании к настоящему изобретению,

после чего сравнивают логарифмы полученных величин квантовой эффективности эмиссии с логарифмами величин нормированной фоточувствительности указанной низкодефектной фотодиодной структуры во всем диапазоне температур и наборов величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры для каждого из трех указанных предполагаемых величин рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке

и выбирают три набора величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры, включающие каждый высоту эмиссионных барьеров для электронов и дырок, время межуровневой релаксации электрона, расстояние между уровнями размерного квантования электронов, эффективную высоту квантовой точки, сечение захвата электронов и дырок, энергию дна нижней электронной подзоны размерного квантования в смачивающем слое и параметр Хуанга-Рис, приведенные в описании к настоящему изобретению и соответствующие минимальному расхождению сравниваемых логарифмов, при соответствии указанных наборов трем указанным предполагаемым величинам рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке,

затем для указанной высокодефектной фотодиодной структуры, при всех величинах температуры и рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке в ожидаемом интервале величин указанного рекомбинационного времени жизни, для каждого указанного выбранного набора величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры получают аналогичные температурные зависимости квантовой эффективности эмиссии электронно-дырочных пар, возникающих при фотогенерации в области основного оптического перехода в квантовых точках высокодефектной фотодиодной структуры,

после чего сравнивают логарифмы полученных величин квантовой эффективности эмиссии с логарифмами величин нормированной фоточувствительности высокодефектной фотодиодной структуры во всем диапазоне температур и рекомбинационных времен жизни носителей в квантовой точке высокодефектной фотодиодной структуры для каждого из выбранных наборов величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры

и для трех указанных выбранных наборов величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры выбирают соответствующие три величины рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке высокодефектной фотодиодной структуры 0.097, 0.21 и 0.37 нс, при которых расхождение сравниваемых логарифмов минимально,

наконец, по средней величине отношений выбранных величин рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке высокодефектной фотодиодной структуры к соответствующим указанным нескольким предполагаемым величинам рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке низкодефектной фотодиодной структуры, задающим каждая свой из указанных выбранных наборов величин параметров квантовых точек низкодефектной фотодиодной структуры 0.097/0.5, 0.21/1 и 0.37/2, судят об искомом уменьшении в высокодефектной фотодиодной структуре величины рекомбинационного времени жизни носителей в квантовой точке в ~5 раз в связи с указанным повышением концентрации точечных дефектов в слое квантовых точек.

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 измерительной технике, может быть использовано для определения электрофизических параметров слоя полупроводника на поверхности диэлектрика и может найти применение в различных отраслях промышленности при контроле свойств полупроводниковых слоев.

Изобретение может быть использовано для измерения электрофизических параметров полупроводниковых монокристаллических пластин, автоэпитаксиальных и гетероэпитаксиальных структур, а также структур типа полупроводника на изоляторе.

Изобретение относится к технологии контроля качества полупроводниковых гетероструктур с квантовыми точками и может быть использовано для обнаружения глубоких дефектов, создаваемых слоем квантовых точек InAs в матрице GaAs.

Изобретение относится к технике измерения предельных параметров мощных биполярных транзисторов и может использоваться на входном и выходном контроле их качества.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для визуализации электрических микронеоднородностей технологического происхождения: дислокаций, пор, преципитатов и т.д.

Изобретение относится к области контроля полупроводниковых устройств. Способ оценки качества гетероструктуры полупроводникового лазера включает воздействие на волноводный слой гетероструктуры полупроводникового лазера световым излучением, не испытывающим межзонное поглощение в его активной области, но поглощаемым на свободных носителях в волноводном и ограничительных слоях гетероструктуры, регистрацию величины интенсивности светового излучения, прошедшего через указанный слой при отсутствии тока накачки и при заданной величине тока накачки, определение величины внутренних оптических потерь по соответствующей формуле.

Изобретение относится к области оптоэлектронной техники и касается способа определения температурного распределения по поверхности светодиода. Способ включает в себя нанесение на поверхность светодиода пленки покровного материала, определение с помощью ИК тепловизионного микроскопа калибровочной зависимости излучаемого находящимся в нерабочем режиме светодиодом сигнала от температуры при внешнем нагреве, регистрацию с помощью ИК тепловизионного микроскопа излучаемого поверхностью светодиода в рабочем режиме сигнала и программную обработку полученных данных.

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.

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.

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.

Использование: для одновременного определения толщины полуизолирующей подложки, толщины и удельной электропроводности нанесенного на нее сильнолегированного слоя и подвижности свободных носителей заряда в этом слое. Сущность изобретения заключается в том, что способ определения параметров полупроводниковой структуры, состоящей из полуизолирующей подложки с нанесенным на нее сильнолегированным слоем, включает размещение полупроводниковой структуры на границе нарушенного центрального слоя одномерного волноводного СВЧ фотонного кристалла, полностью заполняющего прямоугольный волновод по поперечному сечению, облучение фотонного кристалла электромагнитным излучением СВЧ-диапазона, измерение частотной зависимости коэффициентов отражения и прохождения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, измерение проводят при двух различных ориентациях полупроводниковой структуры относительно направления распространения электромагнитной волны: «сильнолегированный слой–полуизолирующая подложка» и «полуизолирующая подложка–сильнолегированный слой», рассчитывают значения толщины полуизолирующей подложки, толщины и удельной электропроводности нанесенного на нее сильнолегированного слоя, при которых измеренные частотные зависимости коэффициентов отражения и прохождения электромагнитного излучения при двух различных ориентациях полупроводниковой структуры наиболее близки к теоретическим частотным зависимостям, затем размещают полупроводниковую структуру после фотонного кристалла перпендикулярно широкой стенке волновода в центре его поперечного сечения, облучают фотонный кристалл электромагнитным излучением СВЧ-диапазона, измеряют частотные зависимости коэффициентов отражения и прохождения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, подвергают полупроводниковую структуру воздействию внешнего магнитного поля, вектор магнитной индукции которого направлен перпендикулярно узкой стенке волновода, облучают фотонный кристалл электромагнитным излучением СВЧ-диапазона, измеряют частотные зависимости коэффициентов отражения и прохождения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона при воздействии магнитного поля, рассчитывают значение подвижности свободных носителей заряда в сильнолегированном слое, при котором измеренные частотные зависимости коэффициентов отражения и прохождения электромагнитного излучения в отсутствие внешнего магнитного поля и при воздействии магнитного поля с индукцией наиболее близки к теоретическим частотным зависимостям, полученным с учетом рассчитанных значений толщины полуизолирующей подложки, толщины и удельной электропроводности нанесенного на нее сильнолегированного слоя. Технический результат - обеспечение возможности определения четырех параметров полупроводниковых структур. 12 ил.

Изобретение относится к электрофизическим способам определения степени релаксации барьерного слоя нитридной гетероструктуры и применяется для оценки качества кристаллической структуры, в которой наблюдается пьезоэлектрическая поляризация. Техническим результатом данного изобретения является возможность использовать способ измерения вольт-фарадных характеристик для определения степени релаксации и, таким образом, неразрушающим способом определить степень релаксации в тонком (меньше 50 нм) барьерном слое нитридной гетероструктуры. Степень релаксации определяется из отношения значений пьезоэлектрических составляющих поляризации, определенных из эксперимента через измерение вольт-фарадных характеристик и из модифицированной модели Амбахера. 3 ил., 1 пр.

Использование: для измерения механических напряжений в МЭМС структурах. Сущность изобретения заключается в том, что способ измерения механических напряжений в МЭМС структурах включает формирование между пленкой-покрытием и основой промежуточного слоя, при этом промежуточный слой может иметь произвольную толщину, измеряют относительное удлинение пленки-покрытия по изменению величины зазора между краем балки и периферией пленки-покрытия посредством растрового электронного микроскопа и рассчитывают механические напряжения на рабочих пластинах по формуле ,где L - длина свободного конца балки после удлинения/сжатия, d0 - зазор между краем балки и областью периферии пленки-покрытия до травления промежуточного слоя, d - зазор между краем балки и областью периферии пленки-покрытия после травления промежуточного слоя, - модуль Юнга покрытия, -коэффициент Пуассона покрытия. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерения. 2 ил.

Группа изобретений относится к способам имитационного тестирования изделий микро- и наноэлектроники. На приборную структуру воздействуют эквивалентным облучением ионами с флюенсом от 109 см-2 до 1015 см-2 и энергией в интервале 1-500 кэВ, уточняемыми в зависимости от состава и морфологии структуры, при этом уточняемые величины флюенса и энергии ионов, обеспечивающие эквивалентность, определяют расчетом, путем компьютерного моделирования концентрации и распределения смещенных атомов при облучении ионами в чувствительных областях приборной структуры и сравнения с результатами такого же компьютерного моделирования при облучении быстрыми нейтронами, причем для установления правильности расчета эквивалентного флюенса выбирают флюенс ионного облучения, при котором изменение критериальных параметров превышает порог чувствительности средства контроля критериальных параметров, определяют соответствующий эквивалентный флюенс облучения быстрыми нейтронами, проводят разовое натурное испытание облучением приборной структуры быстрыми нейтронами при эквивалентном флюенсе, сравнивают полученное отклонение критериальных параметров с отклонением при выбранном флюенсе ионного облучения и судят по результату сравнения о правильности расчета эквивалентного флюенса. Технический результат - повышение достоверности результатов испытаний, сокращение времени испытания, использование доступного для исследователей оборудования. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 13 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и касается способа измерения пороговой разности температур инфракрасного матричного фотоприемного устройства. Измерения осуществляются с использованием снабженного оптическим модулятором абсолютно черного тела (АЧТ) с площадью излучающей площадки, не превышающей размеров матрицы фоточувствительных элементов. При осуществлении способа устанавливают заданную температуру АЧТ (Tсигн), измеряют интегральные шумы Vш_ij всех ФЧЭ, измеряют спектр пропускания холодного светофильтра МФПУ, определяют его коротковолновую и длинноволновую границы пропускания λк и λд, измеряют сигналы всех ФЧЭ Vсигн_ij и рассчитывают величину пороговой разности температур по формуле где с=2,998⋅1010 см⋅с-1 - скорость света; kB=1,381⋅10-23 Вт⋅с⋅К-1 - постоянная Больцмана; h=6,626⋅10-34 Вт⋅с2 - постоянная Планка; N(Tсигн; λк; λд), квантов⋅с-1⋅см-2 - интеграл от функции Планка, определяющий квантовую облученность в телесном угле 2⋅π в спектральном интервале [λк; λд]; Z(Tсигн; λк; λд) - интеграл от производной функции Планка по температуре. Технический результат заключается в повышении точности и упрощении методики измерения. 1 ил.
Изобретение относится к приборам и методам экспериментальной физики и предназначено для исследования дефектной структуры кристаллов. Способ имеет преимущество по сравнению с методом рентгенодифракционной топографии: нет необходимости разрушать исследуемый образец, можно осуществлять экспрессный контроль больших партий монокристаллов. Способ впервые обеспечивает возможность экспресс-определения направления дислокаций в монокристаллах и эпитаксиальных пленках. Способ определения дислокаций в кристаллах включает селективное химическое травление кристалла до получения ямок травления размером 0,4-2 мкм и наблюдение ямок травления с помощью атомно-силового микроскопа. Измеряют угол наклона граней ямок травления, по полученным данным строят геометрические модели ямок и по наклону пирамид ямок травления рассчитывают направления дислокаций.

Изобретение относится к технологии косвенного контроля степени влияния дефектообразования на рекомбинационное время жизни носителей в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода, повышающего эффективность изготовления приборов оптоэлектроники. Технический результат заявляемого изобретения - разработка эффективного косвенного способа определения изменения рекомбинационного времени жизни носителей в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода в связи с изменением концентрации точечных дефектов в слое указанных квантовых точек, 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 стандартного оборудования. В заявленном способе измеряют спектры фоточувствительности при различных температурах у двух фотодиодных структур, низкодефектной и высокодефектной, содержащих слой квантовых точек, различающихся концентрацией точечных дефектов в последнем, по измеренным спектрам строят температурные зависимости фоточувствительности в области основного оптического перехода квантовых точек и нормируют построенные зависимости по высокотемпературному участку насыщения, затем путем соответствующих измерений параметров для низкодефектной и высокодефектной фотодиодных структур и соответствующих расчетов судят об искомом изменении величины рекомбинационного времени жизни носителей, соответствующем повышению концентрации точечных дефектов в слое квантовых точек. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Наверх