RU2464548C1

RU2464548C1 - Method of determining charge carrier concentration profile in semiconductor quantum-dimensional structure

Info

Publication number: RU2464548C1
Application number: RU2011119578/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Георгиевич Литвинов (RU); Владимир Георгиевич Литвинов; Оксана Александровна Милованова (RU); Оксана Александровна Милованова; Николай Борисович Рыбин (RU); Николай Борисович Рыбин
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2012-10-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method of determining charge carrier concentration profile in a semiconductor quantum-dimensional structure involves measuring the luminescence spectrum at a low excitation level. The excitation level is then raised until there is energy shift of the emission line from recombination of quantum-dimensional, spatially confined charge carriers and the charge carrier concentration profile is determined from the value of the shift of the emission line using a self-consistent solution of Schrodinger and Poisson equations.

EFFECT: possibility of use in determining charge carrier concentration profile in a semiconductor quantum-dimensional structure.

Description

Изобретение относится к области оптоэлектронной техники, микро- и наноэлектроники и может быть использовано для определения профиля распределения концентрации носителей заряда, накапливающихся в полупроводниковой квантово-размерной структуре.The invention relates to the field of optoelectronic technology, micro- and nanoelectronics and can be used to determine the distribution profile of the concentration of charge carriers accumulating in a semiconductor quantum-dimensional structure.

Известны способы (аналоги) измерения спектров люминесценции, а именно измерение спектров люминесценции при облучении или возбуждении образца светом (фотолюминесценция), электронным пучком (катодолюминесценция) [1-3]. Недостатком данных способов является то, что они не позволяют по спектрам люминесценции определять профиль распределения концентрации носителей заряда в изучаемой структуре.Known methods (analogues) of measuring the luminescence spectra, namely the measurement of luminescence spectra upon irradiation or excitation of a sample with light (photoluminescence), an electron beam (cathodoluminescence) [1-3]. The disadvantage of these methods is that they do not allow the luminescence spectra to determine the distribution profile of the concentration of charge carriers in the studied structure.

Известен способ (прототип) определения распределения концентрации носителей заряда в полупроводниковых гетероструктурах с квантовыми ямами, точками, основанный на самосогласованном решении уравнения Шредингера и Пуассона и подгонке результатов их решения к вольт-фарадным характеристикам [4].A known method (prototype) for determining the distribution of the concentration of charge carriers in semiconductor heterostructures with quantum wells, dots, based on a self-consistent solution of the Schrödinger and Poisson equations and fitting the results of their solution to the capacitance-voltage characteristics [4].

Недостатки данного способа:The disadvantages of this method:

1. Необходимость формирования барьерных контактов для исследований структур методом вольт-фарадных характеристик.1. The need to form barrier contacts for studies of structures by the method of capacitance-voltage characteristics.

2. Необходимость подбирать конфигурацию изучаемой структуры (толщины слоев, уровень легирования) таким образом, чтобы при изменении напряжения в диапазоне нескольких вольт край слоя объемного заряда (СОЗ) «сканировал» область, в которой происходит пространственное ограничение, размерное квантование носителей заряда, т.е. область с квантовой ямой или квантовыми точками. В высокоомных диодных гетероструктурах толщина СОЗ и барьерная емкость структуры не зависит от прикладываемого напряжения, что делает невозможным найти профиль распределения концентрации носителей заряда.2. The need to select the configuration of the structure under study (layer thickness, doping level) so that when the voltage changes in the range of several volts, the edge of the space charge layer (POP) “scans” the region in which there is spatial limitation, dimensional quantization of charge carriers, etc. e. region with a quantum well or quantum dots. In high-resistance diode heterostructures, the thickness of the POPs and the barrier capacitance of the structure are independent of the applied voltage, which makes it impossible to find the distribution profile of the concentration of charge carriers.

Предлагаемый способ позволяет определять профиль распределения концентрации носителей заряда в квантово-размерной структуре без формирования барьерных контактов, независимо от уровня легирования гетероструктуры по анализу смещения на спектрах люминесценции линии излучения от рекомбинации размерно-квантованных, пространственно ограниченных носителей заряда и, тем самым, устранить недостатки прототипа.The proposed method allows you to determine the distribution profile of the concentration of charge carriers in a quantum-dimensional structure without the formation of barrier contacts, regardless of the level of doping of the heterostructure by analyzing the shift in the luminescence spectra of the emission line from the recombination of dimensionally quantized, spatially bounded charge carriers, and thereby eliminate the disadvantages of the prototype .

Суть способа заключается в том, что измеряют спектр люминесценции при низком уровне возбуждения, далее увеличивают уровень возбуждения до появления сдвига линии излучения от рекомбинации размерно-квантованных, пространственно ограниченных носителей заряда, профиль распределения концентрации носителей заряда в квантово-размерной структуре определяют из зависимости величины сдвига по энергии линии излучения на спектрах люминесценции:The essence of the method is that the luminescence spectrum is measured at a low level of excitation, then the level of excitation is increased until a shift of the emission line occurs from the recombination of dimensionally quantized, spatially bounded charge carriers, the distribution profile of the concentration of charge carriers in the quantum-dimensional structure is determined from the dependence of the shift by the energy of the emission line on the luminescence spectra:

n(x)=f(ΔE_L, x),n (x) = f (ΔE _L , x),

где n(x) - профиль распределения концентрации носителей заряда в квантово-размерной структуре, x - координата на оси координат, вдоль которой происходит пространственное ограничение движения носителей заряда в структуре, ΔE_L - сдвиг по энергии линии излучения от рекомбинации размерно-квантованных, пространственно ограниченных носителей заряда, f(ΔE_L, x) - зависимость профиля распределения концентрации носителей заряда в квантово-размерной структуре от величины сдвига по энергии линии изучения.where n (x) is the distribution profile of the concentration of charge carriers in the quantum-dimensional structure, x is the coordinate on the coordinate axis along which the spatial restriction of the movement of charge carriers in the structure occurs, ΔE _L is the energy shift of the radiation line from the recombination of dimensionally quantized, spatially bounded charge carriers, f (ΔE _L , x) is the dependence of the distribution profile of the concentration of charge carriers in the quantum-dimensional structure on the shift in energy of the line of study.

В частности, определение профиля распределения концентрации носителей заряда рассмотрим на примере высокоомной квантово-размерной структуры (КРС) с частичным перекрытием запрещенных зон материалов слоев (фиг.1), таким образом, что для электронов образуется квантовая яма (КЯ). КРС образована барьерным (буферным) слоем, выращенным на подложке, слоем КЯ и покровным слоем, выращиванием которого обычно завершается рост слоистой структуры.In particular, we consider the determination of the distribution profile of the concentration of charge carriers by the example of a high-resistance quantum-dimensional structure (Raman) with a partial overlap of the forbidden zones of the layer materials (Fig. 1), so that a quantum well (QW) is formed for electrons. The cattle is formed by a barrier (buffer) layer grown on a substrate, a QW layer, and a coating layer, the growth of which usually completes the growth of the layered structure.

Для получения информации об энергии излучательных переходов и ширине линий излучения, как правило, КРС изучают методами фото- и катодолюминесценции [1-3]. При увеличении тока накачки электронным пучком в КРС с частичным перекрытием запрещенных зон, например, как на фиг.1, на спектрах люминесценции наблюдается «синее» смещение линии излучения от рекомбинации носителей заряда с основного уровня размерного квантования в КЯ. Одна из причин наблюдаемого смещения может заключаться в следующем: при попадании электронного пучка на поверхность покровного слоя изучаемой структуры электроны проникают вглубь структуры, занимают энергетически более выгодное положение; отрицательный заряд электронов в КЯ будет притягивать дырки со всего объема структуры в прилегающие к КЯ барьерные слои и приводить к изгибу зон таким образом, что для дырок будет образовываться треугольная КЯ (фиг.2).To obtain information on the energy of radiative transitions and the width of the emission lines, as a rule, Raman scattering is studied by photo- and cathodoluminescence methods [1-3]. As the pump current increases in the Raman beam with partial overlap of the forbidden bands, for example, as in Fig. 1, the luminescence spectra show a “blue” shift of the emission line from carrier recombination from the ground level quantization in the QW. One of the reasons for the observed bias can be as follows: when an electron beam hits the surface of the coating layer of the studied structure, the electrons penetrate deep into the structure and occupy an energetically more favorable position; a negative charge of electrons in the QW will attract holes from the entire volume of the structure to the barrier layers adjacent to the QW and lead to bending of the zones in such a way that a triangular QW will form for holes (Fig. 2).

Размерное квантование дырок будет приводить к изменению энергии излучательного перехода от рекомбинации пространственно-ограниченных электронов с пространственно-ограниченными дырками в треугольной КЯ, изменению профиля распределения концентрации носителей заряда в барьерных слоях и слое КЯ. Несмотря на пространственное разделение электронов и дырок, переход электронов в валентную зону оказывается возможным за счет перекрытия волновых функций электронов и дырок. Изменение энергии излучательного перехода связано с изменением зонной диаграммы КРС и, следовательно, профиля распределения концентрации электронов и дырок в КРС. Энергия размерного квантования для дырок также зависит от профиля распределения концентрации электронов и дырок.Dimensional quantization of holes will lead to a change in the energy of the radiative transition from the recombination of spatially bounded electrons with spatially bounded holes in a triangular QW, and to a change in the distribution profile of the concentration of charge carriers in the barrier layers and the QW layer. Despite the spatial separation of electrons and holes, the transition of electrons into the valence band is possible due to the overlapping wave functions of electrons and holes. The change in the energy of the radiative transition is associated with a change in the Raman band diagram and, therefore, in the distribution profile of the concentration of electrons and holes in the Raman. The size quantization energy for holes also depends on the distribution profile of the concentration of electrons and holes.

Для количественной оценки рассматриваемых эффектов и нахождения профиля распределения концентрации носителей заряда необходимо решить самосогласованно уравнения Шредингера и Пуассона с использованием величины сдвига по энергии линии излучения от рекомбинации размерно-квантованных, пространственно ограниченных носителей заряда [4].To quantify the effects under consideration and find the distribution profile of the charge carrier concentration, it is necessary to solve the Schrödinger and Poisson equations in a self-consistent manner using the energy shift of the emission line from the recombination of dimensionally quantized, spatially bounded charge carriers [4].

В КРС, возбужденных лазерным или электронным пучком, основным каналом рекомбинации неравновесных электронно-дырочных пар является переход между основными состояниями размерного квантования электронов и дырок в соответствующих зонах (фиг.2). Энергетическое положение излучательного перехода в этом случае содержит в себе информацию о ширине запрещенной зоны материала, величинах энергий основных состояний электронов и тяжелых (легких) дырок, а также о величине энергии связи экситона.In Raman spectra excited by a laser or electron beam, the main channel for the recombination of nonequilibrium electron-hole pairs is the transition between the ground states of dimensional quantization of electrons and holes in the corresponding zones (Fig. 2). The energy position of the radiative transition in this case contains information on the band gap of the material, the energies of the ground states of electrons and heavy (light) holes, and also the magnitude of the exciton binding energy.

Энергия оптического межзонного перехода является функцией состава и толщин барьерных слоев и слоев КЯ, профиля распределения концентрации электронов и дырок в КРС. Сдвиг по энергии на спектре люминесценции линии излучения от рекомбинации размерно-квантованных, пространственно ограниченных носителей заряда ΔE_L при увеличении уровня возбуждения или накачки в данном случае будет определяться энергией размерного квантования дырки в треугольной КЯ E_hhl, поэтому в данном случае сдвиг по энергии ΔE_L=E_hhl, а величина E_hhl, в свою очередь, определяется профилем распределения концентрации дырок в барьерных слоях и электронов в слое КЯ, который рассчитывается при самосогласованном решении уравнений Шредингера и Пуассона.The energy of the optical interband transition is a function of the composition and thickness of the barrier and QW layers, and the distribution profile of the concentration of electrons and holes in the Raman scattering. The energy shift in the luminescence spectrum of the emission line from the recombination of dimensionally quantized, spatially bounded charge carriers ΔE _L with an increase in the level of excitation or pumping in this case will be determined by the size quantization energy of a hole in a triangular QW E _hhl ; therefore, in this case, the energy shift ΔE _L = E _hhl, and the value E _hhl, in turn, determined by the profile of concentration distribution of holes in the barrier layers and the electrons in the quantum well layer, which is calculated at the self-consistent solution of equations Schrödinger but also Poisson.

Предложенный способ позволяет по изменению положения на спектре люминесценции линии излучения от рекомбинации размерно-квантованных, пространственно ограниченных носителей заряда ΔE_L в квантово-размерной гетероструктуре рассчитать профиль распределения концентрации носителей заряда n(x)=f(ΔE_L, x).The proposed method makes it possible to calculate the distribution profile of the concentration of charge carriers n (x) = f (ΔE _L , x) by changing the position on the luminescence spectrum of the emission line from the recombination of dimensionally quantized, spatially bounded charge carriers ΔE _L in a quantum-dimensional heterostructure.

Сущность изобретения поясняется следующим графическим материалом:The invention is illustrated by the following graphic material:

- Фигура 1 - Зонная диаграмма квантово-размерной гетероструктуры с частичным перекрытием запрещенных зон.- Figure 1 - Zone diagram of a quantum-dimensional heterostructure with partial overlap of the forbidden zones.

- Фигура 2 - Изменение зонной диаграммы квантово-размерной гетероструктуры при увеличении уровня накачки.- Figure 2 - Change in the band diagram of a quantum-dimensional heterostructure with increasing pump level.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения «новизна», т.к. в известных источниках не обнаружен предложенный способ определения профиля распределения концентрации носителей заряда.Thus, the claimed method meets the criteria of the invention of "novelty", because in known sources, the proposed method for determining the distribution profile of the concentration of charge carriers is not found.

Технико-экономический эффект предложенного метода заключается в расширении возможностей традиционных методов измерения люминесценции, профилей распределения концентрации носителей заряда в полупроводниковых квантово-размерных структурах и развитии новых методов исследования и диагностики материалов и структур микро- и наноэлектроники.The technical and economic effect of the proposed method is to expand the capabilities of traditional methods for measuring luminescence, the distribution profiles of the concentration of charge carriers in semiconductor quantum-dimensional structures and the development of new methods for studying and diagnosing materials and structures of micro- and nanoelectronics.

ЛитератураLiterature

[1] Воробьев Л.Е., Ивченко Е.Л., Фирсов Д.А., Шалыгин В.А. Оптические свойства наноструктур: Учебное пособие / Под ред. Е.Л.Ивченко и Л.Е.Воробьева. СПб.: Наука, 2001. - 188 с.[1] Vorobyov L.E., Ivchenko E.L., Firsov D.A., Shalygin V.A. Optical properties of nanostructures: Textbook / Ed. E.L. Ivchenko and L.E. Vorobiev. St. Petersburg: Nauka, 2001 .-- 188 p.

[2] Спивак Г.В., Петров В.И., Антошин М.К. Локальная катодолюминесценция и ее возможности для исследования зонной структуры твердых тел // УФН. 1986. - Вып.4. - С.659-717.[2] Spivak G.V., Petrov V.I., Antoshin M.K. Local cathodoluminescence and its capabilities for studying the band structure of solids // Usp. Fiz. 1986. - Issue 4. - S.659-717.

[3] Петров В.И. Сканирующая катодолюминесцентная микроскопия // Известия РАН. Серия физическая. 1992. - №3. - С.2-30.[3] Petrov V.I. Scanning cathodoluminescent microscopy // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. The series is physical. 1992. - No. 3. - S.2-30.

[4] Зубков В.И. Диагностика полупроводниковых наногетероструктур методами спектроскопии адмиттанса. СПб.: ООО «Техномедиа» / Изд-во «Элмор», 2007. - 220 с.[4] Zubkov V.I. Diagnostics of semiconductor nanoheterostructures by admittance spectroscopy. St. Petersburg: LLC Tekhnomedia / Publishing House Elmore, 2007. - 220 p.

[5] Шифф Л. Квантовая механика. - М.: Изд-во иностр. л-ры, 1959. - 475 с.[5] Schiff L. Quantum Mechanics. - M .: Publishing house of foreign countries. L-Ry, 1959.- 475 p.

Claims

1. Способ определения профиля распределения концентрации носителей заряда в полупроводниковой квантово-размерной структуре, заключающийся в том, что измеряют спектр люминесценции при низком уровне возбуждения, далее увеличивают уровень возбуждения до появления сдвига по энергии линии излучения от рекомбинации размерно-квантованных, пространственно ограниченных носителей заряда, отличающийся тем, что профиль распределения концентрации носителей заряда в квантово-размерной структуре определяют из зависимости величины сдвига по энергии линии излучения на спектрах люминесценции:
n(x)=f(ΔE_L, x),
где n(x) - профиль распределения концентрации носителей заряда в квантово-размерной структуре;
x - координата на оси координат, вдоль которой происходит пространственное ограничение движения носителей заряда в структуре;
ΔE_L - сдвиг по энергии линии излучения от рекомбинации размерно-квантованных, пространственно ограниченных носителей заряда;
f (ΔE_L, x) - зависимость профиля распределения концентрации носителей заряда в квантово-размерной структуре от величины сдвига по энергии линии изучения.1. A method for determining the profile of the distribution of concentration of charge carriers in a semiconductor quantum-dimensional structure, which consists in measuring the luminescence spectrum at a low level of excitation, and further increasing the level of excitation until a shift in the energy of the emission line from the recombination of dimensionally quantized, spatially limited charge carriers characterized in that the profile of the distribution of the concentration of charge carriers in the quantum-dimensional structure is determined from the dependence of the magnitude of the shift along the ene ology emission line on the luminescence spectra:
n (x) = f (ΔE _L , x),
where n (x) is the distribution profile of the concentration of charge carriers in the quantum-dimensional structure;
x is the coordinate on the coordinate axis along which there is a spatial restriction of the motion of charge carriers in the structure;
ΔE _L is the shift in energy of the emission line from the recombination of dimensionally quantized, spatially bounded charge carriers;
f (ΔE _L , x) is the dependence of the distribution profile of the concentration of charge carriers in the quantum-dimensional structure on the magnitude of the shift in energy of the line of study.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что зависимость профиля распределения концентрации носителей заряда в квантово-размерной структуре и энергии излучательного перехода при рекомбинации размерно-квантованных, пространственно ограниченных носителей заряда определяют по самосогласованному решению уравнений Шредингера и Пуассона. 2. The method according to claim 1, characterized in that the dependence of the distribution profile of the concentration of charge carriers in the quantum-dimensional structure and the energy of the radiative transition during the recombination of dimensionally quantized, spatially bounded charge carriers is determined by the self-consistent solution of the Schrödinger and Poisson equations.