WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 3 Гетероструктуры с квантовыми ямами и квантовыми точками InAs/InGaNAs/GaNAs, излучающие в спектральном диапазоне 1.4–1.8 мкм © В.С. Михрин¶, А.П. Васильев, Е.С. Семенова, Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев, Ю.Г. Мусихин, А.Ю. Егоров, А.Е. Жуков, В.М. Устинов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 29 июня 2005 г. Принята к печати 13 июля 2005 г.) Исследованы выращенные на подложках GaAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии гетероструктуры с квантовыми ямами InGaNAs, содержащими монослойные внедрения InAs и ограниченными сверхрешетками InGaNAs/GaNAs. При больших концентрациях индия наблюдался вызванный увеличением напряжения рассогласования переход от двумерного к островковому режиму роста. Наибольшая длина волны излучения при комнантной температуре, достигнутая в структурах с квантовыми ямами, составила 1.59 мкм, в структурах с квантовыми точками — 1.76 мкм.

PACS: 78.67.Hc, 78.67.De, 78.55.Cr 1. Введение на примере структур диапазона 1.3 мкм, использование тонких слоев GaAsP [7] или GaNAs [8], частично комТорцевые и вертикальные излучатели, изготавливае- пенсирующих механическое напряжение, позволяет до мые из полупроводниковых материалов, осаждаемых на некоторой степени подавить нежелательные явления, подложки GaAs, имеют ряд преимуществ по сравне- связанные с распадом сильно напряженного твердого нию с аналогичными приборами на подложках InP [1]. раствора InGaNAs и образованием дислокаций, и, как К ним относятся меньшая стоимость и больший диаметр результат, повысить эффективность излучательной рекоммерчески доступных подложек, их лучшая теплопро- комбинации. Вставки GaNAs обладают меньшей шиводность и механическая прочность, большие разрывы риной запрещенной зоны по сравнению с GaAsP и зон и скачки показателя преломления в гетеропарах. вследствие этого позволяют достичь большей длины В частности, лазеры на основе GaAs характеризуются волны излучения из КЯ. В частности, в работе [9] большей легкостью изготовления монолитных верти- за счет использования сверхрешеток InGaNAs/GaNAs, кальных излучателей вследствие возможности использо- снижающих потенциальный барьер для квантовой ямы вания высококонтрастных брэгговских зеркал на основе и частично компенсирующих напряжение рассогласоAlGaAs/GaAs или AlGaO/GaAs [2,3]. Отказу от тради- вания, была достигнута фотолюминесценция на длине ционной платформы использования в качестве базового волны 1393 нм. Помещение в середину КЯ слоя InAs материала InP в пользу GaAs в лазерах для волоконно- толщиной 1 монослоя позволило увеличить длину оптических линий связи длительное время препятство- волны до 1505 нм, указывая на перспективность повало отсутствие достаточно узкозонных эпитаксиаль- добного подхода для реализации на подложках GaAs но выращиваемых материалов, способных излучать в излучения спектрального диапазона 1.55 мкм.

спектральном диапазоне 1.3-1.55 мкм. На сегодняшний В данной работе исследована возможность управледень в лазерах на основе GaAs диапазона длин волн ния длиной волны излучения в подобных гетерострукоколо 1.3 мкм достигнуты приборные характеристики, турах, использующих монослойные внедрения InAs в соответствующие или превосходящие параметры прибо- квантовую яму InGaNAs, ограниченную сверхрешетками ров на InP. В качестве активной области этих лазеров InGaNAs/GaNAs. Наблюдался вызванный увеличением были использованы массивы самоорганизующихся кван- напряжения рассогласования переход от двумерного к товых точек In(Ga)As/GaAs или квантовые ямы (КЯ) островковому режиму роста. Наибольшая длина волны InGaNAs/GaAs (см. обзоры [4,5] и ссылки в них). Од- излучения при комнатной температуре, достигнутая в нако задача продвижения в область больших длин волн структурах с квантовыми ямами, составила 1.6 мкм, в по-прежнему остается актуальной. структурах с квантовыми точками — 1.75 мкм.

В случае КЯ InGaNAs/GaAs длина волны 1.5мкм может быть достигнута за счет использования высо2. Эксперимент ких концентраций индия и азота, что, однако, снижает структурное и оптическое качество и приводит к ухудИсследуемые образцы были выращены на подложках шению лазерных характеристик по сравнению с более GaAs (100) методом молекулярно-пучковой эпитаксии в коротковолновыми структурами [6]. Как было показано установке Riber 32P, оборудованной источником азота ¶ E-mail: mikhrin@yahoo.com Applied Epi UNI-bulb с радиочастотным возбуждением 348 В.С. Михрин, А.П. Васильев, Е.С. Семенова, Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев, Ю.Г. Мусихин...

сохраняется послойный режим роста на протяжении всех слоев структуры. При большем содержании индия картина дифракции во время осаждения квантовой ямы переходит в точечную, что соответствует островковому режиму роста. Поверхность роста затем вновь становится планарной за время роста покрывающего слоя GaAs толщиной 50 нм. Таким образом, образцы с содержанием индия 41 и 43% из исследованной серии могут быть охарактеризованы как содержащие массивы Рис. 1. ПЭМ-изображение (вид с торца) квантовой ямы самоорганизующихся квантовых точек, тогда как образIn0.36Ga0.64N0.024As0.976, содержащей монослой InAs и ограницы с меньшим содержанием индия представляют собой ченной сверхрешетками In0.36Ga0.64N0.024As0.976/GaN0.04As0.96.

истинно двумерную квантовую яму. В качестве примера Справа — зонная диаграмма.

на рис. 1 приведено изображение поперечного сечения активной области структуры для образца с содержанием индия в квантовой яме x = 36%, полученное с помощью плазмы. Активная область структуры представляет сопросвечивающей электронной микроскопии. На вставке бой одиночную КЯ Inx Ga1-xNyAs1-y толщиной 6нм, к рисунку схематически показан профиль ширины запресодержащую помещенный в центр слой InAs толщенной зоны слоев в направлении роста [001]. На ПЭМщиной 1 монослоя, ограниченную с обеих сторон изображении отчетливо видна высокая планарность всех 3 периодами сверхрешетки Inx Ga1-xNyAs1-y (1.3 нм)/ границ слоев, подтверждая данные, полученные из карGaNz As1-z (1нм). Активная область заращивалась слоем тин ДБЭ.

GaAs толщиной 50 нм и слоем Al0.3Ga0.7As толщиной На рис. 2 представлен спектр ФЛ этой структу50 нм. Зонная диаграмма исследованных структур схеры при комнатной температуре (структура A). Для матически показана на рис. 1.

сравнения также показан спектр ФЛ квантовой ямы Для каждого образца содержание индия в квантовой того же химического состава (In0.36Ga0.64N0.024As0.976), яме и слоях InGaAsN сверхрешеток (x) было одинано без монослойного внедрения InAs и с барьерными ковым. Была исследована серия образцов, в которой x слоями на основе GaAs (структура B). Как видно, варьировалось от 33 до 43%, что достигалось выбором применение монослойного внедрения InAs в сочетании соответствующей скорости роста бинарного компонента с барьерами на основе сверхрешеток InGaNAs/GaNAs InAs при фиксированной скорости роста компонента позволяет при незначительном уменьшении интенсивноGaAs, равной 0.16 нм/с. Все исследованные образцы сти ФЛ и слабом уширении линии достичь сильного имеют одинаковое содержание азота в слоях GaNAs, длинноволнового сдвига максимума ФЛ. В то время z = 4%. Содержание азота в квантовой яме и слоях как квантовая яма InGaNAs/GaAs (структура B) имеет InGaNAs сверхрешетки составляло y 2.4%. Слабое пик ФЛ на длине волны max = 1.29 мкм, в исследуемой изменение y в различных образцах обусловлено изменеструктуре InAs/InGaNAs/GaNAs (структура A) длина нием встраивания азота при изменении скорости роста волны достигает max = 1.55 мкм.

бинарного компонента InAs.

Температура подложки при осаждении азотсодержа- На рис. 2 также приведен спектр ФЛ от образца с содержанием индия 43% (структура C) —наибольшим щих соединений составляла 370C, для других частей гетероструктуры 580C. После осаждения слоя AlGaAs проводился отжиг структуры в течение 5 мин в потоке мышьяка при температуре 700C. Поджиг азотной плазмы производился без остановки роста до начала понижения температуры подложки, при закрытой заслонке азотного источника.

Фотолюминесценция (ФЛ) возбуждалась YAG : Nd3лазером, работающим на второй гармонике в непрерывном режиме (длина волны излучения 532 нм). Плотность мощности возбуждения составила 2 кВт/см2. Детектирование производилось с помощью охлаждаемого InGaAsSb/AlGaAsSb-фотодиода. Микрофотографии были получены методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на микроскопе Phillips EM 420.

3. Результаты и обсуждение Рис. 2. Спектры фотолюминесценции (PL) при 300 K гетероНаблюдение картины дифракции быстрых электро- структур InAs/InGaNAs/GaNAs с содержанием индия x = 36% нов (ДБЭ) на отражение во время выращивания об- (структура A) и 43% (структура C), а также квантовой ямы разцов показало, что при содержании индия x 37% без монослоя InAs In0.36Ga0.64N0.024As0.976/GaAs (структура B).

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Гетероструктуры с квантовыми ямами и квантовыми точками InAs/InGaNAs/GaNAs... следний параметр удобным для управления длиной волны излучения подобных гетероструктур. Спектральный диапазон, который может быть перекрыт посредством структур, в которых рост активной области происходит в двумерной (послойной) моде, простирается от 1.до 1.59 мкм и таким образом охватывает все окно прозрачности вблизи 1.55 мкм стандартного оптического волокна. Как отмечалось выше, продвижение в область больших длин волн (вплоть до 1.76 мкм) может быть реализовано в структурах, в которых рост активной области происходит в островковом режиме.

Данные, приведенные на рис. 3 для спектральной ширины линии ФЛ, показывают, что в структурах с двумерной активной областью (x 37%) линия остается достаРис. 3. Зависимость полной ширины линии ФЛ на полувысоте точно узкой (FWHM < 70 мэВ). Наблюдаемая тендени положения пика ФЛ от мольной доли индия в InGaNAs.

ция к уширению линии с увеличением x в этих структурах, по-видимому, обусловлена образованием локальных областей, обогащенных арсенидом индия и имеющих наименьшую энергию локализации носителей заряда.

При переходе к островковому режиму роста (x 40%) линия ФЛ заметно уширяется (FWHM > 100 мэВ), что, вероятно, вызвано возникновением массива квантовых точек, заметно различающихся размерами. Детальное исследование этих образцов методом ПЭМ позволит выявить их основные структурные характеристики.

На рис. 4 представлена зависимость интегральной интенсивности ФЛ исследуемых гетероструктур InAs/InGaNAs/GaNAs от спектрального положения максимума ФЛ. Измерения проводились при комнатной температуре. Интенсивность нормирована на значение, полученное для структуры с содержанием индия x = 33%.

Для сравнения также показана соответствюущая зависимость, наблюдаемая в квантовых ямах InGaNAs различРис. 4. Зависимость интегральной интенсивности фотолюного состава с барьерами GaAs. Как видно, в структурах минесценции (PL) гетероструктур с КЯ InGaNAs, барьерами с квантовыми ямами InGaNAs/GaAs интенсивность лиGaAs и с КЯ InGaNAs/InAs, барьерами InGaNAs/GaN0.04As0.нии ФЛ в существенной степени уменьшается уже начиот положения пика ФЛ. Температура измерений 300 K.

ная с длин волн 1.45 мкм, а длина волны 1.52 мкм является практическим длинноволновым пределом для люминесценции при комнатной температуре. В то же среди исследованных структур, в которой имел место время в исследуемых структурах со вставками InAs и бапереход от двумерного к островковому режиму роста.

рьерами в виде сверхрешеток InGaNAs/GaNAs вплоть до В отличие от рассмотренного выше образца A с меньдлин волн 1.6 мкм наблюдаемый спад интенсивности шим содержанием индия, линия ФЛ в нем значительно ФЛ весьма незначителен. В результате в диапазоне длин уширена, а интенсивность ФЛ более чем на порядок волн 1.45-1.6 мкм интенсивность ФЛ подобных струкниже. В то же время следует отметить, что максимум тур превышает уровень излучения четверных квантовых линии расположен на длине волны max = 1.76 мкм. Наям InGaNAs/GaAs. Хотя при переходе к островковому сколько нам известно, это является наибольшей достигрежиму роста интенсивность ФЛ заметно снижается, это нутой длиной волны излучения при комнатной темпераможет быть обусловлено недостаточной оптимизацией туре в азотсодержащих структурах на GaAs-подложках.

условий выращивания массивов азотсодержащих квантоНа рис. 3 обобщены данные ФЛ, полученные для вых точек. В частности, на примере системы материалов серии образцов, использующих монослойные внедрения InGaAs известно, что оптимальные условия осаждения InAs в квантовую яму InGaNAs, ограниченную сверхре- слоев квантовых ям и квантовых точек различаются шетками InGaNAs/GaNAs. На рис. 3 длина волны макси- весьма существенно [10]. В то же время важно, что мума фотолюминесценции (max) и спектральная ширина достигнута длина волны 1.79 мкм.

линии ФЛ на половине высоты (FWHM) представлены в Нами также было проведено исследование спектров зависимости от содержания индия (x) в слоях InGaNAs. фотолюминесценции образцов в диапазоне температур Как видно, положение максимума ФЛ характеризуется от 77 до 300 K. Для структур, выращенных в двупрактически линейной зависимостью от x, чтоделает по- мерной моде, не наблюдалось S-образной зависимости Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 350 В.С. Михрин, А.П. Васильев, Е.С. Семенова, Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев, Ю.Г. Мусихин...

положения пика ФЛ от температуры, которая считается [10] А.Ю. Егоров, А.Е. Жуков, П.С. Копьев, Н.Н. Леденцов, М.В. Максимов, В.М. Устинов. ФТП, 28 (8), 1439 (1994).

присущей КЯ InxGa1-xNyAs1-y с высоким содержанием [11] A. Pomarico, M. Lomascolo, R. Cingolani, A.Yu. Egorov, индия (x > 35%) и азота (y > 2%) [11,12]. Положение H. Riechert. Semicond. Sci. Technol., 17, 145 (2002).

пика ФЛ изменялось плавно, сдвиг при изменении тем[12] S. Shirakata, M. Kondow, T. Kitatani. Appl. Phys. Lett., пературы в интервале 77-300 K составил 60-70 мэВ.

80 (12), 2087 (2002).

Это сопоставимо с температурным изменением ширины запрещенной зоны ( 80 мэВ в этом диапазоне темпера- Редактор Л.В. Шаронова тур согласно закону Варшни) и свидетельствует об их высокой однородности.

Heterostructures with InAs/InGaNAs/GaNAs quantum wells 4. Заключение and quantum dots emitting at 1.4-1.8 µm V.S. Mikhrin, A.P. Vasil’ev, E.S. Semenova, Использование структур, содержащих квантовую яму N.V. Kryzhanovskaya, A.G. Gladyshev, Yu.G. Musikhin, InGaNAs в сочетании с барьерами InGaNAs/GaNAs и моA.Yu. Egorov, A.E. Zhukov, V.M. Ustinov нослойным внедрением InAs, позволяет при сохранении двумерного режима роста достичь длины волны излуIoffe Physicotechnical Institute чения 1.59 мкм при комнатной температуре. Увеличение Russian Academy of Sciences, содержания индия приводит к формированию массива 194021 Saint-Petersburg, Russia квантовых точек и значительному длинноволновому сдвигу пика ФЛ (1.76 мкм). Подобные гетероструктуры

Abstract

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.