Radiation-induced defects in quantum-size structures of A3B5 semiconductors

Abstract

As estruturas quânticas de semicondutores, nomeadamente baseadas em GaAs, têm tido nos últimos vinte anos um claro desenvolvimento. Este desenvolvimento deve-se principalmente ao potencial tecnológico que estas estruturas apresentam. As aplicações espaciais, em ambientes agressivos do ponto de vista do nível de radiação a que os dispositivos estão sujeitos, motivaram todo o desenrolar de estudos na área dos defeitos induzidos pela radiação. As propriedades dos semicondutores e dos dispositivos de semicondutores são altamente influenciadas pela presença de defeitos estruturais, em particular os induzidos pela radiação. As propriedades dos defeitos, os processos de criação e transformação de defeitos devem ser fortemente alterados quando se efectua a transição entre o semicondutor volúmico e as heteroestruturas de baixa dimensão. Este trabalho teve como principal objectivo o estudo de defeitos induzidos pela radiação em estruturas quânticas baseadas em GaAs e InAs. Foram avaliadas as alterações introduzidas pelos defeitos em estruturas de poços quânticos e de pontos quânticos irradiadas com electrões e com protões. A utilização de várias técnicas de espectroscopia óptica, fotoluminescência, excitação de fotoluminescência e fotoluminescência resolvida no tempo, permitiu caracterizar as diferentes estruturas antes e após a irradiação. Foi inequivocamente constatada uma maior resistência à radiação dos pontos quânticos quando comparados com os poços quânticos e os materiais volúmicos. Esta resistência deve-se principalmente a uma maior localização da função de onda dos portadores com o aumento do confinamento dos mesmos. Outra razão provável é a expulsão dos defeitos dos pontos quânticos para a matriz. No entanto, a existência de defeitos na vizinhança dos pontos quânticos promove a fuga dos portadores dos níveis excitados, cujas funções de onda são menos localizadas, provocando um aumento da recombinação nãoradiativa e, consequentemente, uma diminuição da intensidade de luminescência dos dispositivos. O desenvolvimento de um modelo bastante simples para a estatística de portadores fora de equilíbrio permitiu reproduzir os resultados de luminescência em função da temperatura. Os resultados demonstraram que a extinção da luminescência com o aumento da temperatura é determinada por dois factores: a redistribuição dos portadores minoritários entre os pontos quânticos, o poço quântico e as barreiras de GaAs e a diminuição na taxa de recombinação radiativa relacionada com a dependência, na temperatura, do nível de Fermi dos portadores maioritários.

Quantum size semiconductor structures, namely those based on GaAs, have experienced an outstanding development in the past twenty years. This development is mainly due to the technological potential these structures present. Space-based telecommunications in harsh radiation environments motivated a run off of studies in the field of radiation-induced defects. Semiconductor properties and semiconductor device performance are highly influenced by the presence of structural defects, particularly those induced by irradiation. Properties as well as processes of creation and transformation of defects are expected to be substantially modified when moving from a bulk semiconductor to corresponding low-dimensionality structures. The main goal of this work was to study the radiation-induced defects in quantum-size heterostructures composed of GaAs and InAs. The changes introduced by radiation defects have been evaluated in structures comprising quantum dots and quantum wells subjected to irradiation with electron and protons. The use of several optical spectroscopy techniques, namely photoluminescence, photoluminescence excitation and time-resolved photoluminescence, allowed the characterization of different structures in the as-grown and irradiated state. A higher radiation hardness of the quantum dots as compared to quantum wells and corresponding bulk materials has been clearly established. This higher resistance is mainly due to the higher localization of the carrier wavefunction with increasing confinement. Another probable reason is the expulsion of mobile defects into the surrounding barrier material. However, the existence of defects in the neighbourhood of the quantum dots promotes tunnel escape of carriers from the excited dot states, whose wavefunctions are less localized, to the defects, causing an increase in the non-radiative recombination and, consequently, a decrease in device luminescence. A rather simple model for the carrier statistics out of equilibrium which reproduces quite well the luminescence results as a function of temperature allowed to demonstrate that the quantum dot photoluminescence quenching with increasing temperature is determined by two factors: the minority carrier redistribution between the quantum dots, quantum well and GaAs barriers, and the decrease in the radiative recombination rate related to the temperature dependence of the Fermi level of the majority carriers.