[論文レビュー] Non-invasive probing of random local potential fluctuations in ZnCdSe/ZnSe quantum wells

D. Fuhrmann, Hubert J. Krenner+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2009

Integrated Circuits and Semiconductor Failure Analysis参考文献 26被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、高品質なZnCdSe/ZnSe量子井戸における持続的光導電性を非侵襲的表面弾性波（SAW）技術を用いて調査し、組成の不均一性に起因するランダムなポテンシャルフラクチュエーションに捕らわれたキャリアがこの効果を支配していることを明らかにした。主な発見は、局在化の臨界温度がT < 40 Kであることであり、これはバルクZnCdSe（120 K）と比較して顕著に低い値であり、浅いポテンシャルフラクチュエーション（≤3 meV）を有する優れた構造的品質を示している。

ABSTRACT

Temperature dependence and recombination behavior of trapped charge carriers in ZnCdSe/ZnSe multiple quantum wells are investigated employing surface acoustic waves. These weakly perturb the carrier system, but remain highly sensitive even at small conductivities. Using this non-invasive probe we are able to detect persistent photoconductivity minutes after optical excitation. Measurement of exciting photon energies, the temperature dependence and ability to quench the conductivity with energies lower than the bandgap, support the notion of spatial separation of electrons and holes in the wells, due to random local potential fluctuations possibly induced by compositional fluctuations.

研究の動機と目的

• ZnCdSe/ZnSe量子井戸における持続的光導電性を非侵襲的かつ高感度でプローブする手法の開発。
• ランダム局所ポテンシャルフラクチュエーション（RLPF）に起因する持続的導電性機構と欠陥または不純物に起因する機構を区別すること。
• 高品質なMBE成長量子井戸における局在化ホッピングからパーコレーティブ伝導への遷移の臨界温度を特定すること。
• SAW減衰測定を用いてポテンシャルフラクチュエーションの深さを定量し、材料の品質を評価すること。

提案手法

• 表面弾性波（SAW）を励起および検出するためのインターディジタルトランスデューサー（IDT）を備えたLiNbO3基板上に、ZnCdSe/ZnSe多重量量子井戸（MQW）構造を転写したハイブリッドSAWシステムを製作した。
• 温度、光励起パワー、エネルギーを関数としてSAW減衰を測定し、非侵襲的に導電性の変化をプローブした。
• SAW減衰は非線形応答関数を用いてモデル化された：sΓ(I/I₀) = (K_eff²·s·k/2) · [σ(I/I₀)/σₘ] / [1 + (σ(I/I₀)/σₘ)²]、減衰とシート導電性を結びつける。
• 異なるパワーとエネルギーで光励起を行い、RLPF内の局在状態を選択的に励起した。導電性の指数的上昇は、Cd含有量のガウス分布およびそれに応じたトラップ深さにフィットした。
• キャリア系の摂動を避けるために、高いSAWパワーを避けることで、非侵襲性を確保した。
• 光励起分光法（PL）との比較により、SAWはPLよりもはるかに低い光励起パワー（0.05·I₀）で導電性を検出できることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高品質なZnCdSe/ZnSe量子井戸における持続的光導電性の起源は何か？ また、欠陥に起因するメカニズムと区別可能か？
• RQ2 RLPFにおけるホッピングからパーコレーティブ伝導への遷移の臨界温度は、MQWとバルクZnCdSeとでどのように異なるか？
• RQ3 MBE成長によるZnCdSe/ZnSe MQWにおける組成フラクチュエーションが、どれほど浅いポテンシャルフラクチュエーションを引き起こすか？ また、それらをどのように定量できるか？
• RQ4 表面弾性波は、キャリア系を摂動させることなく、低次元半導体における導電性を非侵襲的かつ高感度にプローブできるか？

主な発見

• MQWにおける局在化ホッピングからパーコレーティブ伝導への遷移の臨界温度はT < 40 Kであり、バルクZnCdSeで観察された120 Kと比較して顕著に低い。これは優れた材料品質を示している。
• ランダムポテンシャルフラクチュエーションの深さ（E_rec）は≤3 meVと推定され、MBE成長量子井戸における組成の不均一性が最小限であることに一致している。
• SAW減衰は光励起パワーに伴い指数関数的に増加し、より浅い局在化中心（Cd含有量が低く、電子の運動エネルギーが高い）が励起されていることを示している。
• SAWベースの手法は、光ポンプパワーが0.05·I₀にまで低下するレベルで導電性を検出でき、これは光励起分光法よりも20〜30倍感度が高い。
• 高励起パワー（I > 0.2·I₀）でSAW減衰が飽和することにより、利用可能な局在化サイトの数に有限性があることが確認された。
• 導電性依存の減衰関数を用いた非線形SAW応答の正確なモデル化により、本手法の定量的信頼性が裏付けられた。