WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 4 Оптимизация температурного режима металлорганической газофазной эпитаксии квантовых точек InAs(N) на GaAs(001) с интенсивной фотолюминесценцией вблизи 1.3 мкм ¶ © В.И. Шашкин, В.М. Данильцев, М.Н. Дроздов, Ю.Н. Дроздов, Д.М. Гапонова, О.И. Хрыкин, А.В. Мурель, Н.В. Востоков, Taek Kim, Yong-Jo Park Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия Photonics Laboratory, Samsung Advanced Institute of Technology, Gyeonggi-do 449-712, Korea (Получена 28 июля 2005 г. Принята к печати 5 сентября 2005 г.) Исследован рост квантовых точек InAs(N) на GaAs в реакторе металлорганической газофазной эпитаксии (МОГФЭ) пониженного давления. В качестве источника азота использован демитилгидразин. В настоящее время хорошо известно, что температура роста квантовых точек InGaAs должна быть ограничена, чтобы предотвратить нежелательные процессы взаимодиффузии атомов In и Ga, а также переиспарение атомов In.

С другой стороны, толстые барьерные слои GaAs должны выращиваться при повышенной температуре из-за сильного влияния температуры роста на оптическое качество структуры. Повышение температуры подложкодержателя на 100 градусов требует прерывания процесса в реакторе МОГФЭ примерно на 2 мин.

Момент прерывания процесса для подъема температуры может быть выбран в различных точках процесса:

1 — после квантовых точек, перед покрывающим слоем InGaAs; 2 — внутри процесса роста покрывающего слоя; 3 — между покрывающим слоем и барьерным GaAs; 4 — внутри барьерного слоя GaAs. Показано, что наиболее подходящим для структур с сильной фотолюминесценцией на 1.3 мкм является последний вариант, где тонкая начальная часть барьерного слоя выращивается при пониженной температуре.

PACS: 78.55.-m, 81.16.-c 1. Введение между покрывающим слоем и барьерным GaAs; внутри барьерного слоя GaAs.

Положение момента прерывания на временной диа К настоящему времени выполнено большое число исследований, которые показали перспективность и воз- грамме является одним из многочисленных параметров, по которым оптимизируется ростовый процесс. Данная можность создания лазерных структур для диапазоработа посвящена обсуждению именно этого параметра на вблизи 1.3 мкм на основе квантовых точек (КТ) при выращивании структур методом МОГФЭ пониженInGaAs [1–3]. Задача, однако, оказалась трудной для ного давления, а также влиянию азота на свойства КТ структур на подложках GaAs, поэтому в каждом из InAs(N), где источником азота служит диметилгидразин.

успешных исследований применены свои специфические В работе показано, что вхождение азота в КТ незначиприемы. К числу таких приемов относится использотельно, а наиболее подходящим для структур с сильной вание достаточно низких температур роста КТ InAs, фотолюминесценцией на 1.3 мкм является последний дополнительный покрывающий слой InGaAs поверх товариант момента прерывания процесса для подъема чек [4–6], добавление атомов азота в материал КТ [7–9].

температуры, когда тонкая начальная часть барьерного Известно, что температура роста квантовых точек слоя GaAs выращивается при пониженной температуре.

InAs должна быть в интервале 480-520C. При более высоких температурах возникают нежелательные процессы взаимодиффузии In и Ga и переиспарения 2. Методика эксперимента атомов In с ростовой поверхности [1–6,10]. С другой Структуры выращивали в горизонтальном реакторе стороны, толстые барьерные слои GaAs должны выраМОГФЭ пониженного давления EPIQUIP VP-502RP с щиваться при повышенной температуре (более 600C) индуктивным нагревом держателя подложек. Рабочее из-за сильного влияния температуры роста на оптичедавление в реакторе — 100 мбар. Источниками элеменское качество структуры [11]. Повышение температутов V группы служили чистый арсин (AsH3) и диметилры подложкодержателя требует прерывания процесса гидразин (DMHy), III группы — триметилгалий (TMGa) в реакторе металлорганической газофазной эпитаксии и триметилиндий (TMIn). В качестве газа-носителя (МОГФЭ) на несколько минут. Момент прерывания использовали водород, очищенный Pd-фильтром, в капроцесса для подъема температуры может быть выбран честве подложки — GaAs(100). Процесс начинали с на различных стадиях заращивания КТ: сразу после роста буферного слоя GaAs толщиной около 100 нм квантовых точек; внутри покрывающего слоя InGaAs;

при температуре 620C. Затем формировали структу¶ E-mail: sha@ipm.sci-nnov.ru ру, где один или несколько слоев квантовых точек 456 В.И. Шашкин, В.М. Данильцев, М.Н. Дроздов, Ю.Н. Дроздов, Д.М. Гапонова, О.И. Хрыкин...

InAs(N) выращивали при более низкой температуре GaAs при температуре 620C. На рис. 1 показан очень и покрывали слоем In0.12Ga0.88As толщиной 6 нм и небольшой „красный сдиг“ пика ФЛ для КТ InAs(N).

затем барьерным слоем GaAs толщиной около 100 нм. Это приводит к заключению о малом вхождении азота в Поток DMHy выбирали с помощью дополнительных точки при использованном режиме роста. Аналогичный опытов таким, что при выращивании тройного соедине- вывод о слабом вхождении азота в присутствии атомов ния GaAs1-xNx формируется эпитаксиальный твердый In был сделан для условий молекулярно-пучковой эпираствор с 3% содержанием GaN (GaAs0.97N0.03). таксии [8] и МОГФЭ при атмосферном давлении [9].

Для анализа структур использовали методы: фо- С другой стороны, известно, что ФЛ структур, куда вошло более 1% атомов азота, существенно подавлетолюминесценции (ФЛ), атомно-силовой микроскопии (АСМ) и рентгеновской дифракции (РД). Возбужде- на [7,12], поэтому едва ли твердые растворы с заметние ФЛ проводили с помощью полупроводниково- ным содержанием азота будут оптимальным решением го лазера ( 660 нм, мощность P 30 мВт), де- для оптоэлектронных применений. Наличие азота на тектирование спектра — неохлаждаемым фотодио- ростовой поверхности в наших экспериментах является дом InGaAs. АСМ-изображения поверхности получа- дополнительным параметром процесса, подлежащим опли в режиме „tapping mode“ на микроскопе Solver- тимизации. Фактическое содержание азота в КТ InAs(N) остается неизвестным. По сдвигу пика ФЛ оценить его P4 (NT-MDT, Россия). Измерения РД выполняли на невозможно, поскольку по данным АСМ несколько выдифрактометре ДРОН-4 с монохроматором Ge(400) на росли размеры КТ в сравнении с точками, выращенными Cu K-излучении.

без потока DMHy, и это могло стать основной причиной наблюдаемого небольшого „красного сдвига“.

3. Результаты исследований В этих условиях для сдвига пика ФЛ в область 1.3 мкм и их обсуждение приходится использовать повышенные температуры роста КТ в допустимом интервале и дополнительный Одной из существенных особенностей выполненной покрывающий слой InGaAs поверх точек [1–6]. Темперасерии экспериментов было использование азота в катура роста квантовых точек InAs не должна превышать честве добавки к материалу квантовых точек. Стиму- 520C, чтобы предотвратить нежелательные процессы лом служило то, что даже небольшое вхождение азота взаимодиффузии In и Ga и переиспарения атомов In с сильно снижает ширину запрещенной зоны InGaAs, что ростовой поверхности. Толстые барьерные слои GaAs приводит к „красному сдвигу“ линии ФЛ [7–9]. На рис. должны выращиваться при более высокой температуре представлены измеренные при комнатной температуре (выше 600C) из-за сильного влияния температуры их спектры ФЛ структур с добавкой азота при росте точек роста на оптическое качество результирующей струк(спектр 1) и без добавки (спектр 2). Остальные парамет- туры [11]. Повышение температуры подложкодержателя ры структур были идентичны: два слоя КТ выращены в на 100 град. требует прерывания процесса в реакторе условиях, близких к оптимальным, при 510C, каждый МОГФЭ примерно на 2 мин с сохраненением потока покрыт слоем In0.12Ga0.88As и тонким слоем GaAs при арсина. Обратное понижение температуры производится той же температуре, а затем толстым барьерным слоем перед следующим слоем КТ, если выращивается многослойная структура. Момент прерывания процесса для подъема температуры может быть выбран в различных точках процесса:

1 — после выращивания КТ, перед покрывающим слоем InGaAs;

2 — внутри покрывающего слоя;

3 — между покрывающим слоем и барьерным GaAs;

4 — внутри барьерного слоя GaAs.

В последнем случае слой GaAs можно условно разделить по назначению на два: тонкий покрывающий, выращенный при пониженной температуре, и остальной толстый барьерный слой.

Различное влияние этих вариантов на результирующую структуру связано с тем, что в реакторе пониженного давления происходит испарение атомов индия с поверхности роста, а именно там они накапливаются в результате сегрегации этих атомов ростовым фронтом.

Это проявлялось в наших экспериментах по незакрытым точкам. Если КТ выращивали при температуре Рис. 1. Спектры фотолюминесценции для структур с кванто- Tg > 510C и сразу охлаждали до комнатной темперавыми точками: 1 —InAs(N), 2 —InAs. туры, то на АСМ-изображении не было видно КТ, в Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Оптимизация температурного режима металлорганической газофазной эпитаксии квантовых точек... можно было предположить, что пауза в процессе выращивания должна располагаться после слоя КТ и обогащенного индием слоя, но a priori нельзя было решить, понадобится ли промежуточный слой чистого GaAs перед подъемом температуры.

Мы провели сравнительный анализ слоев с промежуточным слоем GaAs и без него. На рис. 2 и 3 показаны АСМ-изображения поверхности тестовых структур, где рост остановлен перед нанесением толстого барьерного слоя GaAs. На рис. 2 показано как выглядит поверхность структуры до повышения температуры. КТ закрыты слоем InGaAs и тонким слоем GaAs при 510C, после чего процесс прерван и температура снижена. Четко видны мелкие КТ с плотностью 7 · 109 см-2. Кроме того, присутствуют 3 больших островка высотой 8-10 нм.

Рис. 2. АСМ-изображение поверхности структуры, на которой На рис. 3 показано, что происходит во время роквантовые точки покрыты тонкими слоями InGaAs и GaAs при стовой паузы и подъема температуры. Эта структура температуре 510C.

аналогична предыдущей, но после прерывания процесса температура сначала была поднята до 620Cна 3 мин, и только после этого структура охлаждена до комнатной температуры. Видно, что вместо крупных островков (белые пятна на рис. 2) появились крупные углубления (темные пятна на рис. 3). Можно предположить, что крупные островки, не закрытые до верха слоями InGaAs и GaAs, растворились и, возможно, частично испарились при повышенной температуре. Известно, что крупные островки обычно имеют дислокации [2,3].

Такие дефектные островки нежелательны, поскольку являются центрами безызлучательной рекомбинации, и их растворение должно улучшать оптическое качество результирующих структур.

Вариант паузы сразу после покрывающего слоя InGaAs выглядит заметно хуже. Признаки растворения и переиспарения индия при отсутствии покрывающего слоя GaAs проявляются даже без нагрева до 620C.

Рис. 3. АСМ-изображение поверхности структуры, показанТакая поверхность, охлажденная сразу после роста, в ной на рис. 2, после отжига при 620C в течение 3 мин.

сравнении с показанной на рис. 2, содержит крупные вулканоподобные образования и пониженный контраст изображения мелких КТ.

отличие от более низких температур роста. По этой Согласно приведенной картине процесса, материал из причине неприемлем вариант 1 выбора паузы. Вари- крупных островков при их растворении обогащает индианты 2 и 3 также ведут к частичной потере атомов ем окружающую область за счет диффузии по поверхноиндия. Другой эффект связан не с самой паузой, а с сти, в результате чего должен образоваться некоторый последующим нанесением слоя GaAs. При повышенной вторичный слой InGaAs. Этот факт подтверждается температуре на стадии роста GaAs поверх КТ проис- рентгенодифракционными (РД) данными. На рис. 4 приходит растворение наиболее обогащенных индием обла- ведены РД-спектры /2-сканирования двух структур, стей КТ, расположенных в центре. В результате вместо где два слоя КТ InAs(N) выращены в условиях, близпирамид появляются вулканоподобные образования с ких к оптимальным, при 510C, каждый покрыт слоем кратером по центру [13–15]. Вместе с тем именно рост In0.12Ga0.88As. После этого в процессе роста структуры при Tg > 550C приводит к быстрому „выглаживанию“ (спектр 1) шла пауза с подъемом температуры и формиповерхности при заращивании КТ. В литературе описан рование толстого барьерного слоя GaAs при температуэффект влияния тонкого слоя GaAs, когда он наносится ре 620C. В структуре 2 (спектр 2) пауза с подъемом сразу после КТ до подъема температуры [15,16] или температуры шла после роста тонкого слоя GaAs при после тонкого (1.6 нм) слоя InGaAs [17]. Такой слой температуре 510C. Видно, что спектры заметно отлипредотвращает испарение индия из материала точек во чаются. Оба они содеражт пик подложки GaAs(004) — время подъема температуры. В нашем случае, когда самый сильный пик — при 2 = 66.05 и интерференциточки закрыты достаточо толстым (6нм) слоем InGaAs, онные осцилляции, которые тянутся в низкоугловую стоФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 458 В.И. Шашкин, В.М. Данильцев, М.Н. Дроздов, Ю.Н. Дроздов, Д.М. Гапонова, О.И. Хрыкин...

Полученные в оптимизированных условиях структуры имеют интенсивную фотолюминесценцию в области 1.3-1.4 мкм при комнатной температуре, что демонстрирует, в качестве примера, спектр 1 на рис. 1. Спектр содержит типичные для КТ InAs два пика, связанные с рекомбинацией носителей основного (1.315 мкм) и возбужденного (1.207 мкм) состояния. Ширина отдельных пиков на половине высоты менее 40 мэВ. Гашение интенсивности ФЛ при повышении температуры от 77 K до 300 K не превышает 10. Эти параметры делают структуры перспективными для лазеров на длину волны 1.3 мкм.

4. Заключение Продемонстрирована возможность создания методом Рис. 4. Спектры рентгеновской дифракции для двухслойных металлорганической газофазной эпитаксии пониженного структур с квантовыми точками InAs(N): 1 — без тонкого давления структур с интенсивной фотолюминесценцией покрывающего слоя GaAs, 2 — с таким слоем. Спектры на 1.3 мкм на основе квантовых точек InAs(N), где разненсены по вертикали для наглядности.

источником азота служит диметилгидразин. Вхождение азота в квантовые точки незначительно, и основной эффект от включения в процесс азота — модификация ростовой поверхности.

рону. Природа этих осцилляций — интерференция двух В качестве способов получения структур с ФЛ на слоев InGaAs, разделенных толстым барьером GaAs.

Огибающая осцилляций представляет собой дифракци- длине волны более 1.3 мкм использована повышенная температура роста квантовых точек (510C) и заращионный пик одного слоя InGaAs. Этот пик хорошо виден вание точек слоем InGaAs.

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.