WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 3 Механизмы распада твердого раствора InGaAlAs, стимулированного квантовыми точками InAs © А.Ф. Цацульников, Б.В. Воловик, Д.А. Бедарев, А.Е. Жуков, А.Р. Ковш, Н.Н. Леденцов, М.В. Максимов, Н.А. Малеев, Ю.Г. Мусихин, В.М. Устинов, Н.А. Берт, П.С. Копьев, Д. Бимберг, Ж.И. Алферов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Institut fr Festkrperphysik, Technische Universitt Berlin, D-10623 Berlin, Germany (Получена 21 сентября 1999 г. Принята к печати 23 сентября 1999 г.) Проведено исследование механизмов распада твердого раствора InGaAlAs, стимулированного преднамеренным осаждением слоя квантовых точек InAs. Распад твердого раствора вызывает увеличение эффективного размера квантовых точек и смещение линии фотолюминесценции сплоть до 1.3 мкм. При введении в твердый раствор атомов Al наблюдается эффект ”консервации” атомов In внутри квантовых точек, также приводящий к эффективному увеличению их размера.

В настоящее время значительный интерес прикован ние структуры 1, где видно, что при осаждении слоя к структурам с квантовыми точками (КТ) (In,Ga)As InGaAlAs, обеспечивающего создание квантовой ямы в матрице GaAs [1–4]. Это связано с возможностью (КЯ) в плоскости гетероструктуры (в дальнейшем назырасширения оптического диапазона излучения структур, ваемого слоем КЯ), не наблюдается каких-либо особенвыращенных на подложках GaAs, вплоть до длин волн ностей контраста, что свидетельствует о том, что обрапорядка 1.3 мкм. Недавно было сообщено о создании зования КТ не происходит. В случае последовательного инжекционного лазера с длиной волны генерации 1.3 мкм осаждения КТ InAs и КЯ InGaAlAs на участках структус активной областью, созданной на основе таких КТ [5]. ры над КТ наблюдается темный контраст (рис. 1, b), отлиОднако возникает проблема уменьшения плотности дис- чающийся от обычного деформационного контраста, облокаций, появляющихся из-за необходимости осаждения условленного несовпадением периодов решеток КТ и маслоя InGaAs большой эффективной толщины. В рабо- трицы. Простой анализ интенсивности отражения (200) тах [6,7] было показано, что излучение структур может для четверного твердого раствора InGaAlAs показывает, достигать длины волны = 1.3 мкм при заращивании КТ что ее уменьшение (или появление темного контраста) InAs также и тонким слоем InGaAs. Возникающий при может происходить за счет снижения концентрации Al этом стимулированный распад твердого раствора приво- и(или) повышения концентрации In. Можно предподит к формированию локальных областей с увеличенной ложить, что локальные напряжения, создаваемые КТ в концентрацией атомов In вблизи КТ, обусловливающих матрице, стимулируют перераспределение In и(или) Al длинноволновое смещение линии фотолюминесценции в слое КЯ таким образом, что область возле и над КТ (ФЛ). Такой метод позволяет уменьшить эффективную оказывается обогащенной In и(или) обедненной Al. Татолщину слоя InGaAs, при которой достигается излуче- кое перераспределение должно приводить к увеличению ние с длиной волны 1.3 мкм. В данной работе деталь- эффективного размера КТ. Кроме того, анализ ПЭМ изоно исследованы механизмы распада твердого раствора бражений образцов в планарной геометрии показал, что InGaAlAs, стимулированного преднамеренным осаждепри увеличении толщины слоя КЯ заметно уменьшается нием слоя КТ InAs.

разброс по размерам КТ. Мы полагаем, что этот эффект Исследуемые структуры были выращены методом молекулярно-пучковой эпитаксии на установке Riber 32P QD, на полуизолирующих подложках GaAs(100). ЭффекОбразец dQD, нм Состав слоев W, нм LQD, нм 1010 см-тивная толщина осажденного слоя InAs dQD, так же как толщина слоя InGaAlAs W и его состав, приведе1 – In0.15Al0.15Ga0.70As 8 – – ны в таблице. Исследования методом просвечивающей 2 0.65 In0.15Al0.15Ga0.70As 8 19 2.электронной микроскопии (ПЭМ) проводились на элек3 0.65 GaAs тронном микроскопе Philips EM-420 при ускоряющем 4 0.65 In0.18Ga0.82As 2.5 15 3.5 0.8 In0.18Ga0.82As 2.5 18 4.напряжении 100 кВ. ФЛ возбуждалась Ar+-лазером 6 0.8 In0.18Ga0.82As 3.0 28 4.( = 514.5 нм, плотность возбуждения Pex 100 Вт/см2) 7 0.65 In0.20Ga0.80As 4.и детектировалась охлаждаемым Ge-фотодиодом.

8 0.65 In0.05Al0.20Ga0.75As 4.Электронно-микроскопические исследования в геоме9 0.65 In0.10Al0.20Ga0.70As 4.трии поперечного сечения были проведены в режиме 10 0.65 In0.15Al0.15Ga0.70As 4.0 17 1.темного поля с использованием отражения (200), имеющего сильную чувстительность к химическому составу Примечание. LQD — латеральный размер квантовой точки, QD — материалов AIIIBV. На рис. 1, a приведено изображе- поверхностная плотность квантовых точек.

Механизмы распада твердого раствора InGaAlAs, стимулированного квантовыми точками InAs На рис. 2 приведены спектры ФЛ структур 3–6 с различной эффективной толщиной слоев InAs и InxGa1-xAs.

В спектрах образцов со слоем КЯ помимо линий QD0–QD2, связанных с рекомбинацией через КТ, наблюдается коротковолновая полоса QW, обусловленная рекомбинационными процессами в слое InxGa1-xAs. Увеличение размеров КТ сопровождается резким длинноволновым смещением линии ФЛ и ее сужением. Предыдущие исследования зависимости положения пика ФЛ квантовых точек InAs в матрице GaAs [8] показали, что максимальная длина волны излучения таких КТ составляет (при средних толщинах осаждения около и более 4-х монослоев и(или) длительных превываниях роста) 1.24 мкм. Заращивание КТ, полученных при осаждении существенно меньшего количества InAs тонким слоем InGaAs низкого состава по индию (15–20%), приводит к сдвигу максимума ФЛ вплоть до 1.28 мкм. Рассмотрим причины такого сильного изменения энергии оптического перехода.

При заращивании КТ слоем InGaAs уменьшается эффективная ширина запрещенной зоны материала, окружающего КТ, что может приводить к уменьшению энерРис. 1. Изображения струтур 1 (a) и 2 (b), полученные метогии оптического перехода. Однако, как будет показано дом просвечивающей электронной микроскопии, в геометрии далее, заращивание КТ слоем InAlGaAs, имеющим шипоперечного сечения.

рину запрещенной зоны больше, чем GaAs, не приводит к увеличению энергии оптического перехода. Кроме того, энергия оптического перехода даже уменьшается в случае КТ, полученных при субмонослойном осаждении.

Другой причиной указанного эффекта длинноволнового сдвига линии люминесценции, как следует из данных ПЭМ, является увеличение концентрации атомов In вблизи КТ при заращивании их слоем твердого раствора, обусловленное напряжением, возникающим около КТ. Положение линии QW в спектре образца 6 соответствует расчетному для рекомбинации в квантовой яме In0.25Ga0.75As шириной 3.3 нм. Это согласуется с геометрией активной области, в которой происходит рекомбинация, состоящей из 0.3 нм смачивающего слоя InAs, образующегося при осаждении КТ [3,4], и 3 нм слоя In0.18Ga0.82As. Следовательно, увеличение концентрации In вблизи КТ происходит только за счет атомов, осажденных в непосредственной близости от КТ. Таким образом, эффективная толщина слоя InAs вблизи КТ может увеличиться примерно на 0.5 нм и для структуры 6 составляет 1.3 нм, что, исходя из результатов [8] для КТ, заращ GaAs и имеющих енных пирамидальную форму [9], является недостаточным для объяснения наблюдаемого смещения линии ФЛ. Это Рис. 2. Спектры фотолюминесценции структур 3–6 при согласуется с данными ПЭМ, свидетельствующими о T = 300 K. Линия WL связана с рекомбинацией носителей том, что в случае последовательного осаждения КТ и через состояния смачивающего слоя.

слоя КЯ изменяется форма КТ, что приводит к более сильному изменению энергии оптического перехода по сравнению со случаем КТ в матрице GaAs.

также является следствием перераспределения In и(или) Для исследования влияния состава твердого раствора Al в слое КЯ в окрестности КТ и, по всей видимости, в слое КЯ на размеры КТ и их оптические свойства приводит к увеличению эффективного размера КТ и были исследованы образцы 7–9, в которых КТ были уменьшению дисперсии по их размерам. заращены слоем InxAlyGa1-x-yAs с разными величинаФизика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 332 А.Ф. Цацульников, Б.В. Воловик, Д.А. Бедарев, А.Е. Жуков, А.Р. Ковш, Н.Н. Леденцов...

ми x и y. Из рис. 3 видно, что осаждение широкозонного слоя Al0.20Ga0.80As также вызывает сильный длинноволновый сдвиг линии ФЛ. Такое нетривиальное поведение ФЛ (увеличение ширины запрещенной зоны материала, окружающего КТ, должно было бы привести к увеличению размерного квантования и уменьшению энергии локализации носителей в КТ) может быть обусловлено уменьшением диффузии атомов In из КТ при их заращивании AlGaAs (эффект ”консервации”). Это приводит к увеличению размеров КТ, что и обусловливает длинноволновое смещение линии ФЛ. Увеличение мольной доли InAs x в слое InxAlyGa1-x-yAs вызывает дальнейший длинноволновый сдвиг линии ФЛ, что может быть связано как с появлением эффекта распада, приводящего к увеличению концентрации атомов In вблизи КТ, так и с уменьшением ширины запрещенной зоны InxAlyGa1-x-yAs.

Рис. 4. Зависимость отношения интегральных интенсивностей Для всех исследованных структур помимо линии, полос QD1 и QD2 (I1+2) относительно интенсивности полосы связанной с рекомбинацией через основное состояние QD0 (I0) от температуры для образца 10.

(QD0) в спектрах ФЛ, наблюдаются коротковолновые полосы QD1 и QD2. Необходимо отметить, что для структур с твердым раствором InGaAlAs в отличие от случая заращивания слоем InGaAs увеличение мольной доли InAs приводит к возрастанию интенсивности линии QD0 по сравнению с высокоэнергетичными полосами.

Для исследования природы данных линий были проведены исследования зависимости интенсивностей линий QD0–QD2 от температуры и интенсивности возбуждающего света. Для структуры 10 суммарная интенсивность линий QD1 и QD2 падает относительно интенсивности полосы QD0 с ростом температуры (рис. 4), что не является типичным для рекомбинации через возбужденные состояния КТ. Кроме того, увеличение интенсивности возбуждения при T = 15 K в 200 раз приводит к незначительному (примерно в 1.5 раза) возрастанию интенсивностей линий QD1 и QD2 относительно QDРис. 5. Спектры фотолюминесценции структуры 10, измеренные при интенсивности возбуждающего света Pex, Вт/см2:

1 —1, 2 —4, 3 — 30, 4 — 100. Спектры нормированы на спектр фотолюминесценции при Pex = 0.5Вт/см2.

(рис. 5). Такое поведение ФЛ свидетельствует о том, что линии QD1 и QD2 могут быть суперпозицией полос ФЛ, обусловленных рекомбинацией через возбужденные состояния и через группы КТ, различающиеся размерами.

На рис. 6 приведены спектры ФЛ структуры 10 и образцов, которые содержат ту же последовательность слоев, но выращенных на подложках, разориентированных по направлению [100] на 3 и 5. Как видно, при угле разориентации 3 происходит падение интенсивности линии QD0, в то время как интенсивности полос QD1 и QDостаются постоянными. Увеличение угла разориентации до 5 приводит к тому, что вместо линий QD1 и QD2 в Рис. 3. Спектры фотолюминесценции структур 3, 7–9 при спектре наблюдается одна широкая полоса. Поскольку, T = 300 K.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Механизмы распада твердого раствора InGaAlAs, стимулированного квантовыми точками InAs Список литературы [1] L. Goldstein, F. Glass, J.Y. Marzin, M.N. Charasse, G. Le Roux. Appl. Phys. Lett., 47, 1099 (1985).

[2] S. Guha, A. Madhukar, K.C. Rajkumar. Appl. Phys. Lett., 57, 2110 (1990).

[3] M. Moison, F. Houzay, F. Barthe, L. Leprince, E. Andre, O. Vatel. Appl. Phys. Lett., 64, 196 (1994).

[4] P.M. Petroff, S.P. DenBaars. Superlat. a. Microstr., 15, (1994).

[5] D.L. Huffaker, G. Park, Z. Zou, O.B. Shchekin, D.G. Deppe.

Appl. Phys. Lett., 73, 2564 (1998).

[6] А.Е. Жуков, А.Р. Ковш, А.Ю. Егоров, Н.А. Малеев, В.М. Устинов, Б.В. Воловик, М.В. Максимов, А.Ф. Цацульников, Н.Н. Леденцов, Ю.М. Шерняков, А.В. Лунев, Ю.Г. Мусихин, Н.А. Берт, П.С. Копьев, Ж.И. Алферов.

ФТП, 33, 180 (1999).

[7] K. Nishi, H. Saito, S. Sugou, J.-S. Lee. Appl. Phys. Lett., 74, 1111 (1999).

[8] А.Ю. Егоров, А.Е. Жуков, П.С. Копьев, Н.Н. Леденцов, М.В. Максимов, В.М. Устинов, А.Ф. Цацульников, Ж.И. Алферов, Ф.Л. Федоров, Д. Бимберг. ФТП, 30(6), Рис. 6. Спектры фотолюминесценции структуры 10 (1) и 1345 (1996).

структур, содержащих аналогичную последовательность слоев, но выращенных на подложках, разориентированных на 3 [9] S.S. Ruvimov, P. Werner, K. Scheerschmidt, U. Gsele, J. Heydenreich, U. Richter, N.N. Ledentsov, M. Grundmann, (спектр 2) и 5 (спектр 3).

D. Bimberg, V.M. Estiniv, A.Yu. Egorov, P.S. Kop’ev, Zh.I. Alferov. Phys. Rev. B, 51, 14 766 (1995).

[10] A. Saaki. Thin Sol. Films, 267, 24 (1995).

как было показано в [10–12], разориентация подложки [11] А.Ф. Цацульников, Б.В. Воловик, Н.Н. Леденцов, М.В. Максимов, А.Ю. Егоров, А.Е. Жуков, А.Р. Ковш, приводит к подавлению формирования КТ большого В.М. Устинов, Чжао Чжень, В.Н. Петров, Г.Э. Цырлин, размера, полученные результаты подтверждают вывод о Д. Бимберг, П.С. Копьев, Ж.И. Алферов. ФТП, 32, существовании групп КТ различного размера. Образова(1998).

ние различных групп КТ может быть связано с сильной [12] В.П. Евтихиев, В.Е. Токранов, А.К. Крыжановский, зависимостью степени распада твердого раствора от разА.М. Бойко, Р.А. Сурис, А.Н. Титков, А. Накамура, М. Ичимеров осажденных InAs-КТ. Такой вывод подтверждает да. ФТП, 32, 860 (1998).

тот факт, что при возрастании размеров КТ при увеРедактор Т.А. Полянская личении эффективной толщины осажденного слоя InAs наблюдается сужение линии ФЛ, и интенсивность полос QD1 и QD2 становится меньше по сравнению с интен- Mechanisms of an InGaAlAs quantum well сивностью линии QD0 (рис. 2). Это может быть связано decay stimulated by InAs quantum dots с тем, что увеличение толщины слоя InAs приводит A.F. Tsatsulnikov, B.V. Volovik, D.A. Bedarev, к формированию равновесных КТ, характеризующихся A.E. Zhukov, A.P. Kovsh, N.N. Ledentsov, высокой однородностью по форме и размерам.

M.V. Maximov, N.A. Maleev, Yu.G. Musikhin, Таким образом, в результате проведенных исследоV.M. Ustinov, N.A. Bert, P.S. Kop’ev, D. Bimberg, ваний было показано, что при заращивании квантовых Zh.I. Alferov точек InAs (КТ) тонким слоем InGaAlAs сильное длинноволновое смещение линии фотолюминесценции (ФЛ) Ioffe Physicotechnical Institute, обусловлено распадом твердого раствора с образоваRussian Academy of Sciences, нием локальных областей вблизи КТ с повышенным 194021 St.Petersburg, Russia содержанием In и эффектом ”консервации” атомов In Institut fr Festkrperphysik, в КТ. В зависимости от толщины осажденного слоя Technische Universitt Berlin, InAs возможно образование КТ различного размера, D-10623 Berlin, Germany приводящее к существованию нескольких линий ФЛ.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.