WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 3 Исследования физических явлений в полупроводниковых наноструктурах с использованием планарно-неоднородных слоев 1. Фотолюминесценция ¶ © Ю.В. Хабаров Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 101999 Москва, Россия (Получена 29 августа 2002 г. Принята к печати 30 августа 2002 г.) Предложен и экспериментально продемонстрирован новый спектрально-корреляционный метод исследования полупроводниковых структур, предполагающий использование планарно-неоднородных слоев.

Посредством фотолюминесцентной спектроскопии при 77 K исследован образец, выращенный методом молекулярно-лучевой эпитаксии и содержащий AlxGa1-x As-GaAs и GaAs-InyGa1-y As квантовые ямы и модуляционно-легированный AlxGa1-x As-GaAs гетеропереход. Полученные зависимости спектров фотолюминесценции от параметров неоднородности позволили характеризовать процессы перераспределения носителей в структуре и обнаружить ряд особенностей фотолюминесценции узких GaAs-квантовых ям.

Экспериментальные значения энергии оптических переходов согласуются с теоретическими оценками во всем диапазоне вариации параметров, определяемом неоднородностью, и могут служить основой для оценки параметров полупроводниковой структуры. Исследование показало высокую информативность примененного подхода благодаря возможности прецизионной вариации технологически формируемых параметров структуры в пределах одного образца.

1. Введение 2. Методика исследования Предложенный спектрально-корреляционый метод Многообразие физических свойств квантово-размерпредполагает исследование многослойных полупроводных структур (КРС) и формирование на их основе никовых структур, включающих в себя сочетание планаправлений полупроводниковой электроники стимулинарно-однородных и скоррелированных планарно-неодрует повышенный интерес к их исследованию. При этом нородных слоев. При этом структура должна содержать из-за большого структурного разнообразия КРС особое вместе с исследуемой подструктурой также вспомогазначение приобретают исследования влияния параметтельную подструктуру, несущую информацию о характеров структуры на физические свойства КРС.

ре встроенной неоднородности. Для экспериментального Обычно для исследования зависимостей какой-либо анализа таких структур предполагается использовать физической величины в полупроводниковых нанострукспектроскопические методы исследования, позволяющие турах от меняющихся параметров структуры (наприодновременно с особенностями спектров, относящихся мер, толщины квантово-размерных слоев, состава отк исследуемой подструктуре, наблюдать особенности, дельных слоев и так далее) используют серию пласвязанные с вспомогательной подструктурой и характенарно-однородных образцов с вариацией какого-либо ризующие значение варьируемого параметра в каждой параметра.

исследуемой локальной области неоднородного образНедавно был предложен новых подход к исследоваца. При этом исключается необходимость привлечения нию физических явлений в полупроводниковых структудополнительных методов или технологических оценок рах [1] — спектрально-корреляционный способ с испольдля определения значения варьируемого параметра, что зованием специально сформированных планарно-неододновременно исключает необходимость точного позинородных многослойных полупроводниковых структур.

ционирования области измерения. Последующий анализ В этом методе аналогом серии однородных образцов корреляционных связей спектральных параметров позс меняющимся параметром является один образец с воляет проследить характер поведения параметров исвстроенной планарной неоднородностью этого параметследуемой структуры в поле встроенной неоднородности ра. Такой подход в процессе локальных спектроскопи- образца.

ческих измерений поверхности структуры предполага- Схема, приведенная на рис.1, иллюстрирует примеет получение многомерной совокупности параметров, нение спектрально-корреляционного метода на простом дающей картину неоднородности и достаточной для примере образца, содержащего два планарно-неодноанализа корреляционных связей параметров исследу- родных слоя: исследуемый слой 1 и вспомогательный емого явления (например, спектров фотолюминесцен- слой 2. Неоднородность слоев условного образца в ции) с параметрами, характеризующими неоднородность сечении, представленном на рис. 1, заключается в завиобразца. симости их толщины от координаты X, а их скоррелированность — в заданном постоянном значении отношения ¶ Fax: (095) 2038414 их толщин для любой координаты X. Предположим, 6 340 Ю.В. Хабаров неоднородность целенаправленно не формируется. Таким образом, его применение не снижает требований по однородности к технологическим методам создания слоев.

3. Фотолюминесценция.

Построение эксперимента В настоящей работе спектрально-корреляционный способ примен для исследования эпитаксиальной структуры с КЯ на основе системы AlGaAs-GaAs-InGaAs при использовании в качестве метода физических измерений спектроскопические исследования стационарной фотолюминесценции (ФЛ). Высокая точность анализа Рис. 1. Простейшая схема построения экспериментального образца для применения спектрально-корреляционного метода энергии электронных состояний и возможность изуисследования: 1 — планарно-неоднородный слой 1; 2 — чения заселенности энергетических подзон делает мевспомогательный планарно-неоднородный слой 2; 3 —область тод ФЛ одним из основных инструментов анализа кванлокального спектроскопического исследования.

товых состояний в КРС [2–6]. Модификации метода ФЛ, такие как ФЛ возбуждения, ФЛ с временным разрешением, ФЛ спектроскопия в электрическом и магнитном полях, значительно расширяют его возможности и также что целью исследования является получение зависимомогут быть использованы в рамках спектрально-коррести некого спектрального параметра S1, связанного со ляционного метода.

слоем 1, от толщины этого слоя w1 (S1 = f (w1)).

Для экспериментального исследования был изготовСпектроскопическое исследование локальных областей лен многослойный образец, включающий в себя нескольобразца позволяет получить набор значений исследуемоко квантово-размерных структур, выращенных на пого параметра S1i для различных координат исследуемой луизолирующей подложке GaAs диаметром 76 мм, и области Xi. При этом значения толщины слоя w1i, содержащий технологически заданную неоднородность соответствующие каждому Xi, остаются неизвестными.

параметров слоев, сформированную во всех слоях, кроДля их определения и введен в структуру вспомогаме буферного. Такой характер неоднородности предпотельный слой 2, наблюдаемый спектральный параметр лагает одновременную вариацию многих параметров, которого S2 связан с его толщиной w2 известным поэтому полученные экспериментальные зависимости соотношением S2 = f (w2) (таким слоем может быть, интерпретировались с точки зрения возможного доминапример, квантовая яма (КЯ), поскольку для КЯ достанирующего влияния на результат измерений отдельных точно хорошо изучены зависимости энергии квантовых параметров из числа варьируемых.

состояний от основных параметров их структуры [2,3]).

Образец был выращен методом молекулярно-лучевой По совокупности полученных в результате исследования эпитаксии на установке Riber-32P и представлял созначений спектральных параметров может быть получебой структуру, последовательность слоев которой предна корреляционная зависимость S1i = f (S2i), где S2i — k ставлена на рис. 2. На подложке GaAs был выращен значения параметра S2 в точках Xi. Эта зависимость буферный слой, на котором сформированы две кванотражает связь параметра S1 с толщиной w1, поскольку известны соотношение S2 = f (w2) и отношение тол- товые ямы GaAs-Iny Ga1-y As-GaAs (QWD и QWE) разной ширины, верхний барьерный слой GaAs с пощин слоев w1/w2. Здесь S2 может рассматриваться как следующими нелегированными и легированными слоями обобщенный параметр толщины, а экспериментальный вид искомой зависимости S1i = f (w1i) может быть вос- AlGaAs образовали модуляционно легированный гетеропереход (МЛГП), отделяющий сформированные выстановлен с учетом указанных известных соотношений.

ше две квантовые ямы AlxGa1-x As-GaAs-Alx Ga1-xAs Степень приближения полученных таким образом (QWB и QWC) (значение индексов B, C, D и E для КЯ корреляционных зависимостей к функциональным будет определяться тем, насколько влияние варьируемого па- будет пояснено далее). Структура была закрыта сверху раметра на изучаемый процесс доминирует по отноше- слоем AlxGa1-xAs с повышенным содержанием Al и нию к параметрам, определяющим фон. К последним тонким слоем GaAs. Неоднородность слоев была сфорследует отнести возможную неидеальность условий на мирована путем остановки вращения подложки после подложке, отклонения параметров однородных слоев, формирования буферного слоя и дальнейшего эпитаклокальные дефекты структуры и прочее — все то, что сиального выращивания слоев без вращения подложки.

влияет на результаты исследований и при традиционном При этом планарная неоднородность слоев определяанализе однородного образца. Следует отметить, что эф- лась зависимостью условий эпитаксиального роста от фективное применение предложенного метода требует координаты поверхности подложки, отражающей провысокой степени однородности тех слоев, в которых странственное распределение молекулярных потоков в Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Исследования физических явлений в полупроводниковых наноструктурах... светового пятна диаметром около 50 мкм. ФЛ излучение анализировалось при помощи автоматизированной системы регистрации спектров, построенной на базе монохроматора МДР-23 с охлаждаемым фотоэлектронным умножителем ФЭУ-62 в режиме счета фотонов в качестве фотоприемника. Оптический криостат специальной конструкции позволял исследовать при азотной температуре поверхность полупроводниковых пластин диаметром 76 мм.

Экспериментальный анализ образца заключался в регистрации спектров ФЛ от различных локальных областей неоднородного образца и последующем анализе зависимостей параметров спектра, относящихся к различным элементам структуры (КЯ), от параметра, характеризующего неоднородность.

Были измерены спектры ФЛ в точках образца, расположенных вдоль диаметра пластины в направлении, близком к направлению градиента толщины слоев (группа точек 1), а также беспорядочно на остальной части пластины (группа точек 2).

4. Результаты эксперимента и их обсуждение Во всех исследованных точках наблюдались интенсивные спектры ФЛ, свидетельствующие о достаточно высоком кристаллическом совершенстве выращенных слоев, несмотря на значительную неоднородность режиРис. 2. Схематическое изображение многослойной структуры мов роста. Данные о вариации параметров выращенных исследуемого образца. Оценочные значения толщин слоев и слоев будут приведены далее. Спектр из центральной состава тройных соединений даны для центральной области части пластины (типичный спектр) приведен на рис. 3.

образца.

Вместе с интенсивными полосами B, C и E излучения из квантовых ям QWB, QWC и QWE (рис. 2) спектр содержал низкоинтенсивные полосу A, соответствуюплоскости растущей поверхности образца. В частности, щую краевому излучению барьерных слоев Alx Ga1-xAs локальная толщина того или иного слоя структуры опрес низким содержанием Al, и полосу D, соответствующую делялась локальной скоростью роста слоя и временем излучению из квантовой ямы QWD. Излучения из слоя его экспозиции, а отношение локальных толщин слоев, AlxGa1-x As с большим содержанием Al (x = 0.41) в одинаковым образом сформированных, технологически измеренных спектрах не наблюдалось.

равнялось отношению их времен роста. Для харакСпектральные полосы B, C и E сильно меняли свое теристики толщин и состава планарно-неоднородных положение в зависимости от точки на образце, в то слоев на рис. 2 приведены оценочные значения толщин время как энергетическое положение полосы A, отраслоев (полученные, исходя из времени роста слоев) в жающее состав слоя AlxGa1-x As, в спектрах, измеренцентральной (близкой к оси вращения) области пластиных по диаметру образца, менялось незначительно и ны, ориентировочные усреденнные параметры состава находилось в пределах 1.83-1.86 эВ, что определялось тройных соединений (x, y) указаны по соотношению соответствующей „фокусировкой“ молекулярных источмолекулярных потоков в процессе роста. Эти оценки одников Ga и Al. В связи с этим для дальнейших оценок новременно являются оценками параметров однородных параметр состава этого слоя считался постоянным.

слоев, которые могут быть получены в том же процессе, Полоса C от более широкой квантовой ямы QWC но с вращением подложки, усредняющем влияние про- наблюдалась во всех измеренных спектрах. При изстранственной неоднородности молекулярных потоков мерениях по диаметру энергетическое положение ее на параметры создаваемых слоев.

максимума монотонно менялось, отражая, в условиях Измерения ФЛ проводились при температуре жид- слабо меняющегося состава барьерных слоев, монотонкого азота в диапазоне длин волн 580-1000 нм. Для ное изменение ширины квантовой ямы QWC, а слевозбуждения испльзовался Ar+-лазер с длиной вол- довательно, и пропорциональные времени роста отноны излучения 488 нм и плотностью возбуждения на сительные изменения толщин других слоев структуры, образце до 200 Вт/см2 в пределах сфокусированного за исключением In-содержащих квантовых ям. Таким Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 342 Ю.В. Хабаров нием Eg(y) =1.508 - 1.214y + 0.264y2, отношение разрывов энергетических зон на гетерограницах Ec/ Eg было принято равным 0.7 ( Ec — разрыв энергии дна зоны проводимости, Eg — разрыв ширины запрещенной зоны), а энергия связи экситона считалась равной 7 мэВ [5].

Расчет КЯ GaAs-Alx Ga1-xAs проводился для резких и ступенчатых гетерограниц, в качестве оценки ширины запрещенной зоны барьерных слоев Alx Ga1-xAs было принято значение, соответствующее среднему энергетическому положению спектральной полосы A (1.85 эВ).

Отношение разрывов энергетических зон на гетерограницах считалось Ec/ Eg = 0.6, а значения эффективных масс электронов и тяжелых дырок определялись из соотношений m(x) =(0.0665 + 0.0835x)m0, e m (x) =(0.51 + 0.2x)m0 соответственно [4]. Зависиhh мость энергии связи экситона от ширины квантовой ямы была взята из работы [6].

Результаты экспериментальных измерений энергии максимумов ФЛ излучения КЯ и теоретических оценок их параметров приведены на рис. 4, a. Экспериментальные точки, описывающие спектральное положение полос B, D и E, представлены кривыми 1, 2 и соответственно. По оси абсцисс отложена энергия макРис. 3. Типичный спектр фотолюминесценции из центральной симума полосы C (EC). Расчетная кривая 1 рис. 4, b области образца. Стрелками указаны спектральные полосы A, отражает значения ширины КЯ QWC, соответствующие B, C, D и E.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.