WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 4 Исследования физических явлений в полупроводниковых наноструктурах с использованием планарно-неоднородных слоев.

Фотолюминесценция туннельно-связанных квантовых ям ¶ © Ю.В. Хабаров, В.В. Капаев, В.А. Петров+ Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук, 117105 Москва, Россия Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 117924 Москва, Россия + Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 101999 Москва, Россия (Получена 27 августа 2003 г. Принята к печати 9 сентября 2003 г.) Предложенный ранее спектрально-корреляционный метод исследования наноструктур применен для изучения фотолюминесценции туннельно-связанных и изолированных квантовых ям в структурах с планарнонеоднородными слоями. Этот метод позволил исследовать на одном образце зависимости интенсивностей линий фотолюминесценции и их энергетических положений от ширины туннельного барьера для системы туннельно-связанных ям GaAs–InGaAs–GaAs и от ширины квантовых ям для системы изолированных квантовых ям AlGaAs–GaAs–AlGaAs. Полученные экспериментальные данные удается согласовать с теоретическими расчетами, предположив в структуре с туннельно-связанными квантовыми ямами наличие постоянного поперечного электрического поля, влияющего на процессы захвата носителей в квантовые ямы. Для изолированных квантовых ям зависимость параметров фотолюминесценции от ширины ям демонстрирует чувствительность к рельефу гетерограниц и к процессам захвата носителей в квантовые ямы.

1. Введение 2. Экспериментальный образец и методика исследования Ранее в [1] был предложен новый способ исследования физических явлений в полупроводниковых на- Применяемый спектрально-корреляционный метод ноструктурах — спектрально-корреляционный метод, предполагает исследование многослойных полупроводоснованный на использовании планарно-неоднородных никовых структур, включающих в себя сочетания полупроводниковых слоев. В работе [2] этот ме- планарно-однородных и скоррелированных планарнотод был применен для исследования фотолюминесцен- неоднородных слоев. При этом образец должен содерции (ФЛ) в структурах с квантовыми ямами (КЯ). жать вместе с исследуемой структурой также вспомогаВ настоящей работе мы продолжили эти исследова- тельную структуру, несущую информацию о встроенной ния, использовав спектрально-корреляционный метод неоднородности. Для экспериментального анализа тадля изучения ФЛ туннельно-связанных квантовых ям ких структур используются спектроскопические методы (ТСКЯ) в структурах с планарно-неоднородными сло- исследования, позволяющие одновременно с особенноями. Использование таких слоев позволяет, в частно- стями спектров, относящихся к исследуемой структуре, сти, изменять прозрачность туннельного барьера пу- наблюдать особенности, связанные со вспомогательной тем непрерывного изменения его ширины в преде- структурой и характеризующие значение варьируемого лах одного образца. Достигаемая таким способом воз- параметра в каждой локально исследуемой области можность осуществлять непрерывное изменение тех- неоднородного образца. Последующий анализ коррелянологически формируемых параметров, таких как тол- ционных связей спектральных параметров позволяет проследить поведение параметров исследуемой структущины слоев, позволяет получать экспериментальные данные, которые в ряде случаев могут дать но- ры в поле встроенной неоднородности образца.

вую информацию об исследуемом физическом явле- Исследованный нами образец был выращен методом нии. В настоящей работе с помощью спектрально- молекулярно-лучевой эпитаксии на полуизолирующей корреляционного метода и фотолюминесцентной спек- подложке GaAs диаметром 76 мм и представлял собой троскопии проведено исследование фотолюминесцен- структуру, послойное сечение которой схематически поции (ФЛ) двух ТСКЯ в планарно-неоднородной систе- казано на рис. 1. Две квантовые ямы Iny Ga1-yAs разной ширины QWE и QWF, разделенные туннельным барьером ме GaAs (барьер)–InyGa1-y As (КЯ)–GaAs (туннельный GaAs, были выращены на буферном слое GaAs. На верхбарьер)–Iny Ga1-yAs (КЯ)–GaAs (барьер).

нем барьерном слое GaAs была сформирована также вспомогательная структура из двух изолированных КЯ ¶ E-mail: yukhabar@mtu-net.ru GaAs QWB и QWC с барьерными слоями AlxGa1-xAs, 456 Ю.В. Хабаров, В.В. Капаев, В.А. Петров С помощью ФЛ спектроскопии полученный образец исследовался при температуре жидкого азота в диапазоне длин волн 650-1000 нм. Для возбуждения ФЛ использовался Ar+-лазер с длиной волны излучения 488 нм и плотностью возбуждения до 200 Вт/см2 в пределах сфокусированного на образце светового пятна диаметром около 50 мкм. Возбуждающий свет падал под углом 45 градусов к поверхности образца. ФЛ излучение анализировалось при помощи автоматизированной системы регистрации спектров, построенной на базе монохроматора МДР-23 и охлаждаемого фотоэлектронного умножителя ФЭУ-62 в режиме счета фотонов.

Схема, приведенная на рис. 2, иллюстрирует суть спектрально-корреляционного метода на примере упрощенного образца, содержащего два планарно-неоднородных слоя. Исследуемая структура 1, содержащая КЯ QWE и QWF, содержит также разделяющий их планарнонеоднородный туннельный барьерный слой 2, а вспомогательная структура 3 содержит планарно-неоднородный узкозонный слой 4, являющийся КЯ QWC. Подчеркнем, что в рассматриваемом случае исследуемая и вспомогательная структуры представляют собой физически различные структуры и планарно-неоднородный слой в первом случае является барьером, а во втором — слоем КЯ.

Неоднородность слоев условного образца в сечении, представленном на рис. 2, проявляется в зависимости их толщины от координаты X, а их скоррелированность — Рис. 1. Схематическое изображение исследованной многов заданном постоянном значении отношения их толщин слойной структуры. Оценочные значения толщин слоев и для любой координаты X. Предположим, что целью состава тройных соединений даны для центральной области исследования является получение зависимости некоего образца. Жирными линиями выделены планарно-неоднородные спектрального параметра S1, связанного со слоем 2 и слои.

характеризующего исследуемую структуру туннельнозакрытая сверху тонкими нелегированным, а затем легированным слоями GaAs. Выращенный таким образом образец представлял собой сочетание планарно-однородных и скоррелированных планарно-неоднородных слоев.

Туннельный барьер GaAs между КЯ из InyGa1-y As в исследуемой структуре, а также обе КЯ из GaAs во вспомогательной структуре были выполнены планарнонеоднородными. Неоднородность этих слоев формировалась путем их эпитаксиального выращивания на невращающейся подложке. При этом неоднородность слоев GaAs была обусловлена пространственно неоднородным распределением потока атомов Ga в плоскости растущей поверхности образца. Для достижения идентичности картин планарного распределения сформированной таким образом неоднородности в разных слоях их рост осуществлялся при одном и том же фиксированном пространственном положении подложки, что и определяло корреляцию толщин этих слоев. Все остальные слои Рис. 2. Схема упрощенного образца для исследования были выращены с вращением подложки, обеспечиваюТСКЯ при помощи спектрально-корреляционного метода.

щим высокую степень их планарной однородности. Для 1 — система туннельно-связанных КЯ QWE и QWF, сонеоднородных слоев на рис. 1 приведены оценочные держащая планарно-неоднородный слой туннельного барьезначения толщин, полученные исходя из времени роста ра 2, 3 — вспомогательная структура, содержащая планарнослоев и соответствующие центральной (близкой к оси неоднородный слой 4 —КЯ QWC, 5 — область локального вращения) области образца. спектроскопического исследования.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Исследования физических явлений в полупроводниковых наноструктурах с использованием... связанных КЯ, от толщины этого слоя W1 (S1 = f (W1)). существует неоднозначность в определении этих паСпектроскопическое исследование локальных областей раметров для системы InyGa1-y As–GaAs. Так, данные образца позволяет получить набор значений исследуе- об отношении разрывов зон проводимости на гетеромого параметра S1i для различных координат Xi иссле- границе Iny Ga1-yAs–GaAs Ec/ Eg ( Ec — разность дуемой области. При этом значения толщины слоя W1i, энергий доньев зон проводимости в GaAs и Iny Ga1-yAs, соответствующие каждому Xi, остаются неизвестными. Eg — разность ширины их запрещенных зон) различны Для их определения и введен в структуру вспомога- у разных авторов: 0.52 [5], 0.6 [6], 0.7 [7,8], 0.83 [9].

Такая же ситуация существует в отношении данных об тельный слой 4, наблюдаемый спектральный параметр которого S2 связан с его толщиной W2 известным соот- эффективной массе тяжелых дырок в GaAs: 0.62m0 [6], 0.52m0 [8], 0.51m0 [10], 0.36m0 [9] (m0 — масса свободноношением S2 = f (W2). Таким слоем в данном случае го электрона), а также зависимости Eg(y) ширины запреявляется КЯ, поскольку для КЯ достаточно хорошо щенной зоны напряженных слоев Iny Ga1-yAs в системе изучены зависимости энергии квантовых состояний от GaAs–InyGa1-yAs–GaAs от мольной доли In [6,11,12].

основных параметров их структуры и, в частности, При расчете энергетического спектра КЯ на осноот толщины [3,4]. Использование ФЛ спектроскопии в ве системы GaAs–InyGa1-y As–GaAs мы использоваэтом случае позволяет наблюдать параметры S1 и S2 в ли часто употребляемое среднее значение отношеразных областях спектрального диапазона, что делает ния Ec/ Eg = 0.7 и линейные аппроксимации завозможным их независимый анализ. По совокупности висимостей эффективных масс электронов и дыполученных в результате исследования значений спекрок в Iny Ga1-yAs от мольной доли In m(y) = тральных параметров может быть получена корреляциe =(0.067 - 0.042y)m0, m (y) =(0.52 + 0.25y)m0, совпаонная зависимость S1i = f (S2i), где S2i — значения hh k дающие при y = 0.21 с данными работы [8].

параметра S2 в точках Xi. Эта зависимость отражает Для аппроксимации зависимости Eg(y) нами были связь параметра S1 с толщиной W1, поскольку известны подобраны коэффициенты полинома второй степени соотношение S2 = f (W2) и отношение толщин слоев таким образом, чтобы рассчитанные с их помощью W1/W2. Здесь S2 может рассматриваться как обобщензависимости энергий оптических переходов от ширины ный параметр толщины, а экспериментальный вид искоКЯ соответствовали аналогичным экспериментальным мой зависимости S1i = f (W1i) может быть восстановданным работы [11].

лен с учетом указанных известных соотношений.

При расчете энергетического спектра КЯ В исследованном нами образце вспомогательной AlxGa1-x As–GaAs–AlxGa1-x As использовалось знаструктурой являлись две планарно-неоднородные изочение ширины запрещенной зоны барьерных слоев лированные КЯ на основе системы AlxGa1-x As–GaAs AlxGa1-x As, равное 1.833 эВ, определенное нами экспе–AlxGa1-xAs (узкая QWB и более широкая QWC). Данриментально по наблюдаемому краевому ФЛ излучению ные ФЛ служили основой для определения ее параметэтих слоев. Отношение разрывов энергетических ров в исследуемой локальной области неоднородного зон на гетерограницах Alx Ga1-xAs–GaAs Ec/ Eg образца и в конечном счете для определения толщипринималось равным 0.6, а значения эффективных ны туннельного барьера в этой области. Чтобы макмасс электронов и тяжелых дырок определялись из симально использовать диапазон изменения толщины соотношений m(x) =(0.0665 + 0.0835x)m0, m (x) = e hh туннельного барьера и одновременно минимизировать =(0.51 + 0.2x)m0 соответственно [10]. Мы использовлияние возможной радиальной неоднородности слоев, вали также зависимость энергии связи экситона от в которых неоднородность целенаправленно не формиширины квантовой ямы, приведенную в [4].

ровалась (например, барьерных слоев Alx Ga1-xAs), измерение спектров ФЛ проводилось по полуокружности вблизи края пластины от области с минимальной до 3. Результаты эксперимента области с максимальной толщиной неоднородных слоев.

и их обсуждение Затем исследовались зависимости локальных значений ФЛ параметров туннельно-связанных КЯ от найденных Типичный спектр ФЛ исследованного образца значений ширины туннельного барьера.

представлен на рис. 3. Он включает в себя линию A Сопоставление результатов эксперимента с расчет- низкой интенсивности в области 1.83 эВ (677.5 нм), ными данными и определение параметров полупровод- относящуюся к краевому излучению барьерных никовой структуры осуществлялись с использованием слоев AlxGa1-xAs, и серию линий более высокой численного решения уравнения Шредингера в рамках интенсивности: линии B и C, соответствующие метода огибающих волновых функций. Вычислялись излучению из узкой и широкой КЯ AlxGa1-x As–GaAs– энергии оптических переходов и квадраты интегралов AlxGa1-x As соответственно (QWB и QWC), линии E и F перекрытия волновых функций электронов и дырок в излучения из двух туннельно-связанных КЯ в структуре КЯ. Вычисления требуют знания параметров зонной GaAs–InyGa1-yAs(QWE)–GaAs–InyGa1-yAs(QWF)–GaAs, структуры полупроводников, в частности эффективных а также линия D, связанная с ФЛ верхнего легированномасс носителей, а также зависимостей этих параметров го слоя GaAs, которая исчезала при стравливании этого от состава слоев. В настоящее время в литературе слоя.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 458 Ю.В. Хабаров, В.В. Капаев, В.А. Петров первым уровнем тяжелых дырок в валентной зоне Ehh(переход e1-hh1). Расчет проводился в модели прямоугольных КЯ с конечными барьерами с учетом энергии связи экситонов. Отношение ширин узкой КЯ (WB) и широкой КЯ (WC), равное отношению времен роста слоев GaAs, составляло WB/WC = 0.36. В предыдущей работе [2] при исследовании аналогичных спектров ФЛ на другом образце мы также наблюдали отклонение экспериментальных значений от расчетных, но с противоположным знаком. Такое поведение спектров ФЛ в [2] мы связали с наличием мелкомасштабного рельефа на гетерогранице КЯ, усредненного экситонным состоянием. Наблюдаемые в настоящей работе отклонения также можно связать со структурой гетерограниц КЯ. Однако Рис. 3. Типичный спектр фотолюминесценции образца. Стрелками указаны спектральные линии A, B, C, D, E и F. На вставке — зонная диаграмма системы ТСКЯ.

При изменении координаты зондируемой точки вдоль поверхности образца энергетические положения линий B и C значительно изменялись, что связано с изменением энергетических положений уровней размерного квантования в КЯ при изменении их ширины.

Одновременно изменялись интенсивности линий B, C, E и F и спектральное положение линии E. Характер этих изменений отражен на рис. 4–6.

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.