WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 3 Структурные и оптические свойства гетероструктур с квантовыми точками InAs в квантовой яме InGaAsN, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии © И.П. Сошников, Н.В. Крыжановская, Н.Н. Леденцов, А.Ю. Егоров, В.В. Мамутин, В.А. Одноблюдов, + + В.М. Устинов, О.М. Горбенко, H. Kirmse, W. Neumann, D. Bimberg= Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, 198103 Санкт-Петербург, Россия + Humboldt University of Berlin, D-12489 Berlin, Germany = Technical University of Berlin, D-10623 Berlin, Germany (Получена 26 августа 2003 г. Принята к печати 9 сентября 2003 г.) Представленны результаты исследований структурных и оптических свойств гетероструктур на основе GaAs со слоями квантовых точек InAs, заращённых квантовыми ямами InGaAsN. Методами просвечивающей электронной микроскопии изучено влияние толщины слоя InGaAsN, а также содержания и распределения азота в нем на размеры нановключений и характер и плотность дефектов в структуре. Показано, что размеры нанодоменов InAs и констраст рассогласования постоянных решетки в структурах, содержащих азот, выше, чем в структурах, не содержащих азота. Продемонстрирована корреляция длины волны люминесценции с размерами и составом нанодоменов. Показана корреляция интенсивности излучения и плотности дефектов в структуре.

1. Введение In0.18Ga0.82As/In0.18Ga0.82 (AsaNb). Толщины слоев заращивания InGaAs/InGaAsN (x/y) приведены в таблице.

Одним из методов расширения спектрального диа- Содержание азота в слое заращивания выбиралось так, пазона излучающих приборов на основе арсенида гал- чтобы среднее содержание азота сохранялось для всех лия является применение структур, в которых кван- образцов и составляло около b 0.01.

товые точки (КТ) InAs заращены слоем с квантовой Характеризация структуры проводилась методами ямой (КЯ) InGaAs [1–7]. В частности, такого типа просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на гетероструктуры демонстрируют возможность получе- микроскопе H8000 (Hitachi, Japan). Анализ электроннония лазерной генерации из структур InAs/InGaAs/GaAs микроскопических изображений высокого разрешения в области 1.3 мкм [3–7]. Дальнейшее смещение полосы проводился с помощью оригинального программного излучения в область 1.5 мкм и более сталкивается с про- пакета [10].

блемами, возможное решение которых связано с при- Исследования фотолюминесценции (ФЛ) проводились менением твердых растворов InGaAsN [1,2,7–9]. Поэто- на специальной установке, оборудованной оптическим му исследование формирования и оптических свойств гелиевым криостатом замкнутого цикла и охлаждаемым гетерострктур на основе GaAs с квантовыми точками германиевым диодом. Возбуждение фотолюминесценции InAs, заращёнными слоями InGaAsN, является важным проводилось аргоновым лазером на длине волны 514 нм и актуальным.

при плотности мощности 100 Вт/см2.

2. Эксперимент 3. Результаты и обсуждение Образцы выращивались на установке ЭП1203, осна- Структурные исследования показывают, что наблющенной плазменным источником химически активного дается формирование нанодоменов, обогащенных InAs, азота EPI Unibulb RF Plasma Source. В качестве под- с характерными размерами порядка 4 нм в направлении ложек использовались стандартные epiready пластины роста и 11 ± 3 нм — в латеральном направлении. Приарсенида галлия с ориентацией поверхности (001) и мер электронно-микроскопических изображений активуровнем легирования кремнием 5 · 1018 см-3. Выращи- ной области приведен на рис. 1. В результате анализа вываемые образцы имели структуру, типичную для лазе- сокоразрешающих электронно-микроскопических изобров, с волноводом, внутри которого помещена активная ражений (рис. 2) показано, что содержание InAs в таких область. В качестве активной области на поверхности нанодоменах достигает 60% и более. Отметим, что осаждались нанодомены КТ InAs с эффективной толщи- существует распределение нанодоменов по размерам.

ной 3 монослоя, которые затем заращивались слоями Кроме того, слои в междоменных областях имеют рассоСтруктурные и оптические свойства гетероструктур с квантовыми точками InAs в квантовой яме... Рис. 1. Темнопольные (002) (a, b) и (022) (c) электронно-микроскопические изображения поперечного сечения (110) гетероструктуры на основе GaAs с квантовыми точками InAs, заращёнными слоем 1нм InGaAs / 4нм InGaAsN.

гласование решетки в направлении роста около 1.5-2%, Данные исследований фотолюминесценции (положение и интенсивность полосы излучения) и ПЭМ (рассогласование что соответствует содержанию InAs около 12-18% решетки, характерные высота и латеральные размеры нановв случае КЯ InGaAs. Отметим, что непосредственно над ключений, плотность протяженных и точечных дефектов) КТ наблюдается область без рассогласования решетки.

Последнее может означать либо формирование КЯ тольСтруктура слоя ФЛ ПЭМ ко в междоменной области, либо компенсацию рассозаращивания гласования решеток в результате повышенной конценx = 1нм, y = 4нм = 1490 нм, ( a/a0)max = 7.5% трации азота. Кроме того, сопоставление результатов, I/I0 = 1.35% h = 4.5нм, l = 11 нм, полученных для структур, содержащих азот в КЯ, и без ext 5 · 104 см-3, него, показывает, что при добавлении N наблюдается pnt 1015 см-снижение средних размеров нанодоменов. Отметим, что в случае многослойной структуры (см. третью строку x = 2нм, y = 3нм = 1451 нм, ( a/a0)max = 6.5% в таблице) наблюдается снижение плотности нанодоI/I0 = 3.5% h = 4нм, l = 10 нм, менов от нижнего слоя к верхнему с сохранением ext 2 · 104 см-3, характерных размеров.

pnt 3 · 1014 см-В полученных структурах содержатся дефекты (InAs-3MC, x = 1нм, = 1470 нм, ( a/a0)max = 7.2% как протяженного, так и точечного типов. Пример y = 4нм) 3 I/I0 = 2.3% h = 4нм, l = 10 нм, электронно-микроскопического изображения, отображаext 105 см-3, ющего содержание дефектов в структуре, приведен на pnt 1016 см-рис. 1, c. Оценка плотности протяженных (ext) и точечных (pnt) дефектов в исследованных структурах дается x = 5нм, y = 0нм = 1289 нм, ( a/a0)max = 6% в таблице. Сопоставление оценочных величин плотно- I/I0 = 100% h = 4.5нм, l = 13 нм, сти дефектов показывает, что снижение толщины слоя, ext 3 · 103 см-3, содержащего азот, от 4 до 3 нм приводит к снижению pnt 2 · 1010 см-плотности дефектов примерно в 2-4 раза. В то же время Примечание. x, y — толщины слоев не содержащих и содержащих плотность дефектов в случае многослойной (складироазот соответственно; — длина волны фотолюминесценции (ФЛ);

ванной) структуры, наоборот, возрастает. Отметим, что I и I0 — относительные интенсивности ФЛ исследованных и реперных часть дефектов транслируется (прорастает) из нижних образцов соответственно, в качестве реперного образца использовалась структура, не содержащая азот; h и l — характерные размеры слоев в верхние. Кроме того, напряжения, возникающие нанодоменов в вертикальном и латеральном направлениях соответпри заращивании части бездефектных нанодоменов, проственно; ( a/a0)max — относительное рассогласование постоянных воцируют образование дефектов в верхних слоях.

решетки в нанодоменах InAs/InGaAsN и окружающей матрице GaAs.

7 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 356 И.П. Сошников, Н.В. Крыжановская, Н.Н. Леденцов, А.Ю. Егоров, В.В. Мамутин, В.А. Одноблюдов,...

Рис. 2. Высокоразрешающие электронно-микроскопические изображения поперечного сечения (110) гетероструктуры на основе GaAs с квантовыми точками InAs, заращёнными слоем 1нм InGaAs / 4нм InGaAsN, и карта распределения рассогласования постоянных решетки в нанодоменах InAs/InGaAsN в направлении (002); a0 — постоянная решетки окружающей матрицы GaAs.

Спектры ФЛ исследованных гетероструктур приве- увеличение интенсивности полосы ФЛ в 2-3 раза при дены на рис. 3. Из них видно, что добавление азота небольшом коротковолновом смещении.

в матрицу заращивания приводит к смещению полосы Сопоставление данных структурных и оптических излучения из области 1.3 мкм в случае структуры, не исследований для „однослойных“ гетероструктур посодержащей N, в область 1.54 мкм — для структуры казывает удовлетворительную корреляцию плотности с содержанием азота 1.5%. Интенсивность ФЛ структур, протяженных дефектов и интенсивности полосы люсодержащих азот, падает в 10-100 раз в зависимости от минесценции. В то же время сопоставление размеров содержания и распределения азота. Изменение распренанодоменов и положения полосы излучения показывает деления азота, при котором интегральное содержание обратную зависимость, т. е. при снижении размеров КТ азота сохраняется, но изменяется соотношение толщин происходит смещение в длинноволновую сторону, что разделительного и азотосодежащего слоя x : y от 1 : может объясняться инкорпорацией азота в нанодомены.

до 2 : 3, приводит к росту интенсивности фотолюминесСопоставление со структурными данным по гетероценции примерно в 4 раза.

структурам InGaAsN/GaAs из работы [11] показывает, Структура со складированными слоями КТ (рис. 3, что примененная схема роста приводит к снижению разкривая 3) по сравнению с „однослойной“ демонстрирует меров КТ и снижению плотности дефектов, что в свою очередь ведет к существенному росту интенсивности люминесценции.

4. Заключение Таким образом, нами проведено исследование структурных и оптических свойств гетероструктур на основе GaAs с квантовыми точками InAs, заращёнными слоем InGaAsN с различным распределением азота. Показано, что размеры нанодоменов InAs и контраст рассогласования параметра решетки в структурах, содержащих азот, меньше, чем в структурах, не содержащих азота.

Продемонстрирована корреляция длины волны полосы фотолюминесценции с размерами и композицией нанодоменов. Показана корреляция интенсивности излучения и плотности дефектов в структуре.

Рис. 3. Спектры фотолюминесценции гетероструктур с квантовыми точками InAs, заращёнными слоями:

Работа выполнена при поддержке Российского фонда 1 — 1нм InGaAs / 4нм InGaAsN, 2 — 2нм InGaAs / фундаментальных исследований (РФФИ) и программы 3нм InGaAsN, 3 — ( 1нм InGaAs / 4нм InGaAsN ) 3, NanoOp BMBF.

4 — 5 нм InGaAs.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Структурные и оптические свойства гетероструктур с квантовыми точками InAs в квантовой яме... Список литературы Structural and optical properties of heterostructures with InAs quantum [1] N.N. Ledentsov. Growth Processes and Surface Phase dots in InGaAsN quantum well grown Equilibria in Molecular Beam Epitaxy. Springer Tracts in by molecular beam epitaxy Modern Physics (Berlin Springer, 1999) v. 156, p. 81.

[2] D. Gollub, M. Fischer, A. Forchel. Electron. Lett., 38, I.P. Soshnikov, N.V. Kryzhanovskaya, N.N. Ledentsov, 1183 (2002).

A.Yu. Egorov, V.V. Mamutin, V.A. Odnoblyudov, [3] D.G. Deppe, D.L. Huffaker, Z. Zou, G. Park, O.B. Shchekin.

V.M. Ustinov, O.M. Gorbenko, H. Kirmse+, IEEE J. Quant. Electron., 35, 1238 (1999).

W. Neumann+, D. Bimberg [4] N.N. Ledentsov. IEEE J. Select. Topics Quant. Electron., 8, 1015 (2002).

Ioffe Physicothecnical Institute, [5] V.M. Ustinov, A.E. Zhukov, A.Yu. Egorov, A.R. Kovsh, Russian Academy of Sciences, S.V. Zaitsev, N.Yu. Gordeev, V.I. Kopchatov, N.N. Ledentsov, 194021 St. Petersburg, Russia A.F. Tsatsul nikov, B.V. Volovik, P.S. Kop ev, Zh.I. Alferov, Institute for Analytical Instrumentation, S.S. Ruvimov, Z. Liliental-Weber, D. Bimberg. Electron. Lett., Russian Academy of Sciences, 34, 670 (1998).

198103 St. Petersburg, Russia [6] А.Е. Жуков, А.Р. Ковш, С.С. Михрин, Е.С. Семенова, + Н.А. Малеев, А.П. Васильев, Е.В. Никитина, Н.В. Крыжа- Humboldt University of Berlin, новская, А.Г. Гладышев, Ю.М. Шерняков, Ю.Г. Мусихин, D-12489 Berlin, Germany М.В. Максимов, Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, Ж.И. АлTechnical University of Berlin, фёров. ФТП, 37, 1143 (2003).

D-10623 Berlin, Germany [7] H.A. Wonill, V. Gambin, B. Sank, M. Wistey, H. Yuen, L. Goddard, K. Seongsin, J. Harris. Abstracts Int. Conf. on

Abstract

Results of investigation of structural and optical propMolecular Beam Epitaxy (2002) v. 61, p. 89.

erties of GaAs-based heterostructures with InAs quantum dot [8] I.P. Soshnikov, N.V. Kryzhanovskaya, O.M. Gorbenko, layers overgrown by InGaAsN quantum well are presented in N.N. Ledentsov, A.R. Kovsh, V.M. Ustinov, H. Kirmse, the work. The effect of the thickness of the InGaAsN layer, W. Neumann, D. Bimberg. Semicond. Sci. Technol. (to be composition and distribution of nitrogen on the character and published).

[9] L.H. Li, V. Sallet, G. Patriarche, L. Largeau, S. Bouchoule, density of defects in structure is studied by transmission electron K. Merghem, L. Travers, J.C. Harmand. Electron. Lett., 39, microscopy. It demonstrated that InAs nanodomain size and 519 (2003).

contrast of lattice mismatch is higher for structures that contain the [10] И.П. Сошников, О.М. Горбенко, А.О. Голубок, Н.Н. Леденnitrogen. The correlation between the luminescence wavelength цов. ФТП, 35, 361 (2001).

and the size and composition of nanodomains is displayed. This [11] I.P. Soshnikov, N.N. Ledentsov, B.V. Volovik, A.R. Kovsh, has demonstrated the correlation between the defect density and N.A. Maleev, S.S. Mikhrin, O.M. Gorbenko, W. Passenberg, the luminescence intensity.

H. Kuenzel, N. Grote, V.M. Ustinov, H. Kirmse, W. Neumann, P. Werner, N.D. Zakharov, D. Bimberg, Zh.I. Alferov. Proc 9th Int. Symp. „Nanostructures: Physics and Technology“ (2001) v. 1, p. 82.




© 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.