WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 4 Управление энергетическим спектром квантовых точек InAs/GaAs изменением толщины и состава тонкого двойного покровного слоя GaAs/InGaAs ¶ © И.А. Карпович, Б.Н. Звонков, С.Б. Левичев, Н.В. Байдусь, С.В. Тихов, Д.О. Филатов, А.П. Горшков, С.Ю. Ермаков Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 7 июля 2003 г. Принята к печати 14 июля 2003 г.) Показано, что в гетероструктурах с квантовыми точками InAs/GaAs, выращенных газофазной эпитаксией из металлорганических соединений при атмосферном давлении, можно управлять энергией основного перехода в квантовых точках в области, перекрывающей оба окна прозрачности оптического волокна на длинах волн 1.3 и 1.55 мкм, путем изменения толщины и состава тонкого двойного покровного слоя GaAs/Inx Ga1-x As. В этих структурах имеет место также красное смещение энергии основного перехода в квантовой яме Inx Ga1-xAs в результате образования гибридной квантовой ямы Inx Ga1-x As/InAs (смачивающий слой) между квантовыми точками. В диодах Шоттки на таких структурах обнаружено увеличение обратного тока, связанное с термоактивированным туннелированием электронов из металла на уровни квантовых точек.

1. Введение от ГКТ, выращенных молекулярно-пучковой эпитаксией (МПЭ) [3] и ГФЭ МОС при пониженном давлении [7], в Гетероструктуры с самоорганизованными квантовыкоторых красное смещение энергетического спектра КТ ми точками (ГКТ) InAs/GaAs вызывают повышенный E0(QD) превышало 100 мэВ, в структурах, полученных интерес исследователей благодаря перспективам их в [8], эффект красного смещения оказался относительно применения в оптоэлектронике, в частности для со- малым ( E0(QD) < 30 мэВ). Однако в этих структурах здания высокоэффективных инжекционных лазеров для и без покрытия слоя КТ слоем КЯ были получены очень волоконно-оптических линий связи [1,2]. Актуальной низкие значения энергии E0(QD) до 0.85 эВ при комнатзадачей является выращивание структур, излучающих ной температуре [9]. Предполагается, что в результате в окне максимальной прозрачности оптического волок- диффузионного перемешивания In и Ga на гетерогранина на длине волны 1.55 мкм, которой соответству- це GaAs/InAs образуется прослойка твердого раствора, ет энергия основного перехода в квантовых точках снижающая упругие напряжения в КТ. Естественно, что E0(QD) 0.8 эВ. Одним из путей ее решения является в этом случае нанесение внешнего слоя КЯ может слабо покрытие слоя квантовых точек (КТ) InAs слоем кван- влиять на энергию перехода.

товой ямы (КЯ) InxGa1-x As, что приводит к красному В этих же структурах обнаружено большое красное смещению E0(QD) [3–5]. Этим методом получены лазер- смещение энергии основного перехода в КЯ InGaAs ные структуры, излучающие в окне прозрачности опти- ( E0(QW) 100 мэВ) при нанесении слоя КЯ на слой ческого волокна на длине волны 1.3 мкм [6]. Вподобных КТ, которое связывалось с образованием гибридной структурах с повышенным содержанием индия в слое КЯ КЯ InGaAs + InAs (смачивающий слой) в пространстве (x = 0.35-0.45) наблюдалась фотолюминесценция на между квантовыми точками.

длине волны 1.52 мкм, но с низкой квантовой эффектив- В данной работе изучается влияние толщины и состаностью [7]. В качестве основной причины красного сме- ва материала КЯ, а также толщины внешнего покровнощения E0(QD) в комбинированных слоях КЯ/КТ в [3,6] го слоя GaAs на энергетический спектр комбинированпредполагается релаксация упругих напряжений в КТ, ных слоев КЯ/КТ в структурах, выращенных ГФЭ МОС обусловленная уменьшением рассогласования решеток при атмосферном давлении.

на границе КЯ/КТ, в [4,5] — увеличение эффективного размера КТ в результате стимулированного наличием 2. Методика эксперимента кластеров InAs распада твердого раствора квантовой ямы.

Гетероструктуры выращивали на поверхности (100) Эти явления могут в разной степени проявляться полуизолирующего GaAs. Буферный слой n-GaAs в структурах, выращенных разными методами и при толщиной 0.6 мкм с концентрацией электронов разных условиях. В [8] нами исследовано влияние по 5 · 1016 см-3 выращивали при температуре 650C, крытия слоя КТ слоем КЯ в структурах, выращенных затем температуру снижали до 520C и наносили слои газофазной эпитаксией из металлорганических соединеКТ InAs (5 монослоев), КЯ Inx Ga1-xAs (x = 0.2-0.3, ний (ГФЭ МОС) при атмосферном давлении. В отличие ширина ямы L = 2-12 нм) и внешний слой GaAs ¶ E-mail: fdp@phys.unn.ru толщиной dc = 3-30 нм. Для повышения однородности Управление энергетическим спектром квантовых точек InAs/GaAs изменением толщины... КТ слой InAs в процессе его нанесения легировался При dc 30 нм КТ находятся в электрическом поле висмутом [10]. поверхностного барьера 30 кВ/см (рис. 2, b), котоПо данным атомно-силовой микроскопии, вскрытые рое обеспечивает практически 100% эмиссию фотоселективным стравливанием покровного слоя [10] КТ возбужденных электронов и дырок из КТ в матрицу, в полученных структурах имели латеральные разменеобходимую для получения максимального значения ры 40-50 нм, высоту 4-5 нм, поверхностную плотнормированной фоточувствительности от КТ, т. е. отность 1 · 1010 см-2. Исследовались спектры фотолюношения фоточувствительности в области поглощения минесценции (ФЛ) при фотовозбуждении излучением КТ к собственной фоточувствительности матрицы GaAs.

гелий-неонового лазера и фотоэдс на контакте полуДоминирующими механизмами эмиссии являются, веропроводник / электролит (ФПЭ) и в барьерах Шоттки с ятно, термическая надбарьерная (переход 4) и термозолотым блокирующим контактом. В качестве электроактивированная туннельная (переход 3) эмиссия через лита использовался 1M водный раствор KCl в смеси сниженный полем треугольный барьер. Заметим, что с глицерином в соотношении 1 : 1. Чтобы исключить при встраивании слоя КТ в квазинейтральной области влияние на спектры ФПЭ поглощения света в элекструктуры (при dc 300 нм) фоточувствительность в тролите, которое было существенным при h <0.9эВ, области основного перехода сильно уменьшается вплоть структуры освещались через подложку, что приводило к до порога обнаружения [11], что свидетельствует о почти обрезанию спектров в области собственного поглощения полном прекращении эмиссии электронов и дырок в GaAs. Более детально методика измерений ФПЭ описана матрицу с уровней основного состояния КТ.

в [11].

Фоточувствительность от КТ была на один-два порядка меньше фоточувствительности от квантовых ям (края 3. Результаты и обсуждение полос фоточувствительности от КЯ показаны стрелками на рис. 1), что, очевидно, связано с соответствую3.1. Структуры с одиночным слоем КТ щим различием коэффициентов поглощения КТ и КЯ.

Структуры с одиночным слоем КТ и относительно Поверхностный барьер не препятствует наблюдению толстым покровным слоем GaAs толщиной dc 30 нм фотолюминесценции от КТ (переход 1 на рис. 2, b), так служили эталоном при определении величины красного как при высоких уровнях фотовозбуждения ФЛ в обласмещения E0(QD) в структурах с более тонким по- сти собственного поглощения GaAs он спрямляется, и кровным слоем (при dc > 30 нм E0(QD) практически скорость эмиссии электронов и дырок из КТ становится не зависит от толщины покровного слоя). Они были меньше скорости их излучательной рекомбинации.

выращены в условиях, при которых энергия основного перехода E0(QD) 0.95 эВ соответствовала длине вол3.2. Структуры с комбинированным ны излучения ФЛ 0 1.3 мкм. Типичные спектры ФПЭ слоем КЯ/КТ при 300 K и ФЛ при 77 K такой структуры приведены на рис. 1 (кривые 1, 4). Хотя интенсивность ФЛ от КТ была На рис. 1 показано влияние на спектры ФПЭ и ФЛ повысокой и при комнатной температуре, на спектрах ФЛ крытия слоя КТ слоем внешней КЯ Inx Ga1-xAs (x = 0.2, при 77 K лучше выявляются слабые линии излучения от L = 5нм) в структурах с толстым покровным слоем смачивающего слоя InAs и КЯ в комбинированных слоях GaAs. В комбинированном слое КЯ/КТ красное смеКЯ/КТ.

щение E0(QD) на спектрах ФПЭ составило 70 мэВ и минимальное значение E0(QD) 0.87 эВ при 300 K (кривая 5). С учетом температурного смещения спектров эти данные хорошо согласуются с измерениями спектров ФЛ структур при 77 K (кривые 1, 2). Было установлено, что эффект красного смещения E0(QD) исчезает при нанесении между слоями КЯ и КТ спейсерного слоя GaAs толщиной 5 нм.

В красное смещение спектра КТ кроме указанных выше двух причин может вносить вклад также уменьшение эффективной высоты барьера в КТ на границе InAs/InGaAs. Однако в исследованных нами структурах основную роль играет релаксация упругих напряжений в КТ. На это указывает, в частности, тот факт, что в слоях КТ, выращенных на поверхности, а также вскрыРис. 1. Влияние покрытия слоя КТ слоем КЯ на спектры ФЛ тых селективным стравливанием покровного слоя GaAs, и ФПЭ. 1, 2 —спектрыФЛГКТ (77 K); 3 —спектр ФЛструккогда покрывающий слой InGaAs вообще отсутствует, а туры с отдельной КЯ (77 K); 4, 5 — спектры ФПЭ (300 K).

высота барьера на свободной поверхности КТ даже воз1, 4 — структура с отдельным слоем КТ; 2, 5 — структура с растает, также наблюдается большое ( 300 и 150 мэВ комбинированным слоем КЯ/КТ. Стрелки — пики ФЛ и края полос фоточувствительности от КЯ в этих структурах. соответственно) красное смещение E0(QD) [12]. Дальше 5 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 450 И.А. Карпович, Б.Н. Звонков, С.Б. Левичев, Н.В. Байдусь, С.В. Тихов, Д.О. Филатов, А.П. Горшков...

Рассчитанные и экспериментальные значения энергии основбудут приведены и другие аргументы в пользу такого ного перехода при 77 K в КЯ разного типа заключения.

Заметим, что релаксация напряжений приводит к Тип слоя QW WL QW + WL уменьшению E0(QD) не только в результате уменьшения упругой деформации КТ, но и благодаря тому, что Параметры: x; L (нм) 0.2; 5 1; 0.способствует росту более крупных псевдоморфных кла- E0(QW), эВ (расчет) 1.38 1.36 1.стеров — КТ. Заключительная стадия их формирования E0(QW), эВ (эксперимент) 1.37 1.36 1.продолжается некоторое время в процессе нанесения покровного слоя InGaAs/GaAs и после его завершения, что особенно характерно для ГФЭ МОС [13], которая Расчеты показывают, что уровень основного состояобычно проводится при более высоких температурах, ния электронов Ee0 всегда находится в широкой части чем МПЭ.

ступенчатой потенциальной ямы, но уровень тяжелых Как видно из рис. 1, в исследованных структурах дырок Ehh0 при некоторых значениях параметров x и L наблюдается также красное смещение энергии основпопадает в потенциальную яму смачивающего слоя, что ного перехода в слое КЯ при нанесении ее на слой должно приводить к существенному уменьшению интеКТ. В структуре с одиночной КЯ при указанных выше грала перекрытия огибающих волновых функций элекпараметрах x и L энергия основного перехода в КЯ тронов и дырок и, следовательно, коэффициента межзонE0(QW) 1.37 эВ при 77 K (кривая 3). Она близка к ного оптического поглощения и фоточувствительности.

энергии основного перехода для КЯ смачивающего слоя В частности, это имеет место для структуры с комбиниInAs E0(WL) 1.36 эВ в структуре с одиночным слоем рованным слоем КЯ/КТ, параметры которой приведены КТ (кривая 1). В структурах с комбинированным слоем в таблице. Для нее рассчитанный уровень Ehh0 распоКЯ/КТ пик ФЛ от КЯ расположен при энергии 1.285 эВ ложен в потенциальной яме смачивающего слоя, хотя (кривая 2). Это смещение объясняется образованием между квантовыми точками гибридной квантовой ямы и близко к ее краю (на 20 мэВ ниже). Однако значения (QW + WL), профиль которой схематически показан на нормированной фоточувствительности от гибридной КЯ рис. 2, a. Расчеты энергетического спектра таких ступен- (QW + WL) и КЯ смачивающего слоя почти одинаковы чатых КЯ с учетом кейновского закона дисперсии для (ср. кривые 4 и 5). Это означает, что уровень Ehh0, как электронов и упругих напряжений в КЯ [14] показали и Ee0, располагается в широкой части гибридной ямы, удовлетворительное согласие с экспериментом. В табли- как показано на рис. 2, a. Вероятно, это расхождение це приведен результат расчета для структур, спектры с результатами расчета, которое было замечено и для которых показаны на рис. 1.

некоторых других структур, обусловлено отклонением ее профиля от идеальной ступенчатой формы в результате диффузионных процессов.

3.3. Структуры с поверхностным слоем КЯ/КТ Значительно большее красное смещение E0(QD) получено в структурах с поверхностным слоем КЯ/КТ, в которых слой КЯ служил покровным слоем для КТ.

Уже утоньшение покровного слоя GaAs с 25 до 5 нм в структуре с одиночным слоем КТ привело к уменьшению E0(QD) на спектрах ФПЭ с 0.95 до 0.86 эВ (рис. 3, кривые 1, 2), что также свидетельствует об определяющей роли упругих напряжений в этом явлении. Нанесение вместо GaAs такого же по толщине слоя In0.2Ga0.8As уменьшило E0(QD) до значения 0.78 эВ (кривая 3). Встраивание слоя КТ между двумя одинаковыми КЯ (x = 0.2, L = 5нм) привело к относительно небольшому дополнительному красному смещению E0(QD) до 0.755 эВ (кривая 4), но значительно ухудшило однородность КТ, о чем свидетельствует слабо выраженная на кривой 4 структура спектра, связанная с возбужденными состояниями КТ. Заметим, что в структурах с поверхностным слоем КТ, не покрытым слоем КЯ, E0(QD) уменьшаются до 0.7эВ [11].

Рис. 2. Энергетические диаграммы: a — гибридной квантовой В структурах этого типа красное смещение спектра ямы (QW + WL) (пунктиром показаны уровни в отдельных фоточувствительности сопровождается снижением пика КЯ); b — контакта металл / ГКТ с тонким покровным слоем;

c — то же при обратном смещении на контакте. основного перехода относительно пиков возбужденных Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Управление энергетическим спектром квантовых точек InAs/GaAs изменением толщины... в КТ и при этом не произойдет значительного голубого смещения E0(QD). В[15] было показано, что при нанесении на более узкозонный полупроводник (GaAs) тонкого слоя более широкозонного, структурно сопряженного с GaAs полупроводника (In0.5Ga0.5P), наблюдается значительное уменьшение скорости поверхностной рекомбинации в GaAs, связанное с наличием барьеров на границе InGaP/GaAs, ограничивающих рекомбинационные потоки электронов и дырок на внешнюю дефектную поверхность InGaP (это явление было названо гетероэпитаксиальной пассивацией поверхности). В исследуемых структурах слой GaAs должен играть роль пассивирующего покрытия по отношению к комбинированному слою КЯ/КТ, причем псевдоморфность последнего автоматически обеспечивает структурное сопряжение и, следовательно, низкую плотность поверхностных состояний Рис. 3. Влияние толщины и состава покровного слоя в на гетерогранице GaAs/InGaAs. Эксперимент показал, структурах с поверхностным слоем КЯ/КТ на спектры ФПЭ.

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.