WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 6 Исследование квантовых ям InxGa1-xAs/GaAs методами низкотемпературной фотолюминесценции и рентгеновской дифрактометрии © С.В. Евстигнеев, Р.М. Имамов+, А.А. Ломов+, Ю.Г. Садофьев¶, Ю.В. Хабаров, М.А. Чуев=, Д.С. Шипицин Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 117924 Москва, Россия + Институт кристаллографии Российской академии наук, 117333 Москва, Россия Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 103907 Москва, Россия = Физико-технологический институт Российской академии наук, 117218 Москва, Россия (Получена 14 июля 1999 г. Принята к печати 25 ноября 1999 г.) Методами рентненовской дифрактометрии и низкотемпературной фотолюминесценции исследованы структуры с квантовыми ямами InxGa1-xAs в GaAs, полученные эпитаксией из молекулярных пучков. Установлена неоднородность состава квантовых ям по толщине. Проведен расчет энергетического положения линий рекомбинации экситонов в квантовых ямах со ступенчатым профилем распределения индия, результаты которого хорошо согласуются с экспериментом.

1. Введение Столь широкое применение напряженных InGaAs-гетероструктур требует полномасштабных исследований Основной объем работ по созданию и исследованию свойств получаемых образцов с целью оптимизации структур с единичными или множественными гетеротехнологических режимов формирования In-содержащих переходами, таких как гетероструктуры с селективным слоев и границ раздела. Другая задача состоит в идентилегированием, квантовыми ямами и сверхрешетками, выфикации зонной диаграммы структур с гетеропереходами полнен на основе арсенидов галлия и алюминия [1]. По InGaAs–AlGaAs или квантовыми ямами, что является параметрам кристаллических решеток эти два материала необходимым условием создания приборов с заданныпредставляют собой почти идеальную гетеропару, что ми характеристиками. В частности, при отработке техпозволяет получать структуры высокого качества. Однанологии получения квантово-размерных слоев InGaAs ко использование других материалов может значительно необходимо знать основные параметры слоев, такие как улучшить характеристики существующих приборов и молярная доля индия и толщина слоя. Для контроля этих расширить их функциональные возможности. В последпараметров ex situ в квантово-размерных структурах нее время широкое распространение получили структуобычно используют метод фотолюминесценции (ФЛ).

ры с напряженными слоями InxGa1-xAs, ограниченными При этом энергетическое положение доминирующей барьерами из GaAs или AlGaAs. Применение слоев в спектре линии фотолюминесценции, обусловленной InxGa1-xAs в качестве квантовых ям позволяет повырекомбинацией электронно-дырочных пар в квантовой сить эффективность ограничения носителей на уровнях яме, соответствует разности энергий основных состоразмерного квантования, а также изменять оптические яний размерного квантования для электронов в зоне характеристики гетероструктур [2,3]. Так, использование проводимости Ee1 и тяжелых дырок в валентной зоне InxGa1-xAs в качестве канала транзистора с высокой Ehh1 с поправкой на энергию связи экситона. Оно зависит подвижностью электронов (НЕМТ) позволило получить от ширины квантовой ямы, ее состава и энергии связи в одной из последних работ [4] максимальную крутизну экситона, образующегося в квантовой яме. В силу этого 1510 мСм/мм и частоту отсечки 220 ГГц, что является энергетическое положение линии фотолюминесценции одним из лучших достижений для НЕМТ. Создание не несет однозначной информации о конфигурации конприконтактных варизонных слоев InxGa1-xAs позволяет кретной квантовой ямы. Часто наблюдается уширение делать невплавные омические контакты, что существенпиков ФЛ, и требуется детальное знание причин этого но упрощает технологию изготовления схем с высокой явления. Кроме того, нет устоявшихся оценок параместепенью интеграции [5]. Нами была предложена оритров зонной диаграммы структур InGaAs–AlGaAs. Эта гинальная методика создания независимых омических проблема на сегодняшний день не решена по причине контактов к квантовым ямам изотипной проводимости большого рассогласования постоянных решетки испольв двухъямной гетероструктуре, основанная на используемых соединений (7% для InAs и GaAs) и вознизовании квантовых ям различного состава, в том числе кающих вследствие этого механических напряжений. В InxGa1-xAs [6].

литературе отсутствует полная информация по упругим ¶ E-mail: sadofyev@sci.lebedev.ru константам InxGa1-xAs и их зависимостям от молярной 720 С.В. Евстигнеев, Р.М. Имамов, А.А. Ломов, Ю.Г. Садофьев, Ю.В. Хабаров, М.А. Чуев, Д.С. Шипицин Таблица 1. Параметры квантовых ям — технологические и по данным рентгеновской дифрактометрии МЛЭ КДО Образцы d, x Ts, d1, x1, d2, x2 d3, x3 di, x нм C нм нм нм нм A 13.5 0.08 580 3.3 0.037 10.0 0.071 1.3 0.043 14.6 0.±0.1 ±0.004 ±0.3 ±0.001 ±0.2 ±0.003 ±0.6 ±0.B 13.5 0.17 555 3.38 0.10 10.0 0.165 - - 13.4 0.±0.08 ±0.03 ±0.1 ±0.005 ±0.2 ±0.C 11.5 0.17 535 Расчет не проводился 3.0 0.17 535 Расчет не проводился 6.0 0.25 500 Расчет не проводился доли индия и температуры, что делает невозможным молекулярных источников и калибровок по скоростям теоретический расчет ширины запрещенной зоны напря- роста слоев GaAs и InAs молярная доля индия (x) в разженной квантовой ямы. Для расчета свойств свободных личных квантовых ямах должна была изменяться от 0.носителей в таких гетероструктурах необходимо также до 0.25, а ширины квантовых ям (d) — от 3 до 13.5 нм.

знание величин разрывов зоны проводимости Ec и Основное внимание было уделено относительно шировалентной зоны Ev в области гетероперехода и харак- ким квантовым ямам с x 0.2, которые могут использотера зависимости этих величин от состава ямы. Обычно ваться в полевых транзисторах различных типов. В связи ширина запрещенной зоны квантовой ямы InxGa1-xAs с этим для обеспечения высокой проводимости таких выбирается из условия ее линейной зависимости от двумерных каналов температуры роста In-содержащих молярной доли индия с коэффициентом, равным разно- слоев провышали обычно используемые значения на сти ширин запрещенных зон Eg объемных материалов 30-40C. При этом в структуре псевдоморфного НЕМТ при фиксированной температуре. Отношение Ec/Eg с единственным легированным барьерным слоем, расразличается в разных работах от 0.55 до 0.85 [7–9].

положенным над In-содержащей квантовой ямой, были В связи с этим желательно использовать для уточнеполучены подвижности двумерного электронного газа ния результатов фотолюминесцентных измерений иные 5700 и 37000 см2/B·c при температурах T = 300 и способы неразрушающего контроля квантово-размерных 77 K соответственно и слоевой концентрации электронов гетеросистем.

ns = 2.4 · 1012 cм-2.

Для нахождения основных параметров квантовых ям Для предотвращения диффузии примесей и дефектов InxGa1-xAs различной ширины и с различной молярной из подложки в активную часть гетероструктуры во всех долей индия, выращенных молекулярно-лучевой эпитакобразцах сначала создавался буферный слой GaAs толсией (МЛЭ) и ограниченных барьерами из GaAs, нами щиной 0.5 мкм. Квантовые ямы из InGaAs отделялись проведены комплексные исследования структур методаот поверхности пленки или друг от друга слоем GaAs ми фотолюминесценции и двухкристальной рентгеновтощиной 500 нм. Структуры в процессе роста не подской дифрактометрии. Проведены также расчеты энергий вергались преднамеренному легированию. Температура переходов e1-hh1 выращенных квантовых ям с помощью подложки при росте GaAs составляла 610C, скорость эмпирического выражения для величины запрещенной роста GaAs — 0.6 мкм/ч, отношение эквивалентных дазоны квантовой ямы InGaAs/GaAs в зависимости от влений потоков As и Ga — 20 : 1. При формировании молярной доли индия. Результаты расчета спектров ФЛ обеих границ слоев из InxGa1-xAs проводилось прес учетом энергии связи экситона в двумерном слое рывание роста в течение 90 с в потоке мышьяка для хорошо согласуются с экспериментальными данными выглаживания границ раздела и изменения температуры при параметрах квантовых ям, определенных из кривых подложки, которую сначала понижали до определенной дифракционного отражения (КДО).

температуры, зависящей от состава квантовой ямы, а после выращивания слоев InxGa1-xAs вновь повышали до 610C. Картины дифракции быстрых электронов на 2. Выращивание образцов различных этапах технологического процесса формирования структур отставались стержнеобразными, без выОбразцы, содержащие квантовые ямы, выращивались на установке МЛЭ ”Цна-18” на подложках полуизоли- раженной модуляции интенсивности по длине рефлексов.

рующего GaAs (001) с разориентацией 3 в направле- Для исключения термодесорбции из приповерхностного нии [110]. Были выращены две структуры с одиночной слоя и минимизации возможной термостимулированной квантовой ямой — образцы A и B, а также структура с сегрегации атомов индия прерывание роста на верхней тремя квантовыми ямами — образец C. Исходя из изме- границе раздела квантовой ямы с повышением темперенных зависимостей эквивалентных давлений молеку- ратуры подложки производилось после осаждения трех лярных пучков Ga и In от температуры соответствующих монослоев GaAs. Данная операция не использовалась Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Исследование квантовых ям InxGa1-xAs/GaAs методами низкотемпературной... при выращивании образца B. Ожидаемые параметры измерения. Остальные детали методики эксперимента квантовых ям InxGa1-xAs и соответствущие им темпе- аналогичны описанным в [10].

ратуры роста Ts представлен в табл. 1 (колонка МЛЭ). Экспериментальные КДО от образцов A и B представлены на рис. 1, a, b соответственно. Наблюдаемые на них особенности качественно легко описываются. Видно, 3. Рентгенодифракционные что кроме основного дифракционного максимума при исследования = - B = 0 (B — угол Брэгга) на хвостах КДО наблюдается сложная интерференционная картина, Исследование структурных параметров слоев провопредставляющая собой наложение двух волн с отличадилось методом двухкристальной рентгеновской дифракющимися периодами колебаний. Осцилляции с малым тометрии. Измерения выполнялись на трехкристальном периодом свидетельствуют о наличии на поверхности рентгеновском спектрометре ТРС-1. Прибор работал в образца пленки толщиной автоматическом режиме с использованием персональноL =( sin 0) sin 2B 0.1мкм, (1) го компьютера и контроллера MATEX. Кривые дифракционного отражения от образцов регистрировались при где — длина волны рентгеновского излучения, 0 — отражении (004) в режиме /(1 + )-сканирования угол скольжения.

( — коэффициент асимметрии) с установленной перед Осцилляции с большим периодом имеют ярко вырадетектором узкой щелью (8угл. мин). Эта же схема была женный максимум, что свидетельствует о формировании использована в режиме -сканирования для измерения в приповерхностной области образцов монокристалливклада диффузного рассеяния в КДО. Источником излуческого слоя толщиной 0.01 мкм, отличающегося от чения служила рентгеновская трубка с медным анодом подложки параметром решетки (различие параметров мощностью 1.1 кВт. Рентгеновский пучок, падающий на решетки a = -a0(ctg B), a0 — параметр решетки образец, формировался щелевым с трехкратным отражеподложки). Анализ КДО, записанных от асимметричных нием монохроматором из совершенного монокристалла отражений, показал, что выращенные слои являются Ge (004). Регистрация КДО выполнялась в пошаговом псевдоморфными. С учетом этого факта было оценено режиме по заданной статистике сигнала в каждой точке среднее содержание атомов In в квантовой яме. Такие оценки приводят к значениям x = 0.07 и 0.17 для образцов A и B соответственно.

Для количественного описания КДО и получения детальной информации о параметрах структуры отдельных слоев и гетерограниц был использован метод, развитый в [11]. В качестве начального приближения при анализе экспериментальных кривых отражения использовались параметры структуры, заложенные в технологии их выращивания. Затем находились модели, для которых расчетные КДО наилучшим образом описывали экспериментальные данные. Следует отметить, что данный метод анализа позволяет не только выбрать оптимальную модель, но и определить ошибки извлекаемых параметров для каждого слоя в образце. Подгонка расчетных кривых к экспериментальным заканчивалась, когда значения среднеквадратичных ошибок переметров превышали их средние значения.

Для модели с резкими границами были получены расчетные КДО, визуально слабо отличающиеся от экспериментальных. Однако полученные результаты нельзя было считать удовлетворительными, поскольку величины функционала 2 [10] сильно отличались от единицы. Поэтому на следующем этапе анализа в расчет были введены дополнительные субслои, характеризующие размытие гетерограниц, что позволило уменьшить 2 до 1.28 для образца A и до 1.33 для образца B.

При этом визуально расчетные и экспериментальные кривые КДО уже практически невозможно различить, Этот результат иллюстрирует представленные в нижних Рис. 1. Кривые дифракционного отражения от гетероструктур частях рис. 1, a, b нормировочные разности, почти все InxGa1-xAs / GaAs: a —образец A (2 = 1.28), b —образец значения которых хорошо укладываются в теоретически B (2 = 1.33). 1 и 1 — нормированные ошибки.

предсказываемый интервал (-3)-(+3).

I — интенсивность.

6 Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 722 С.В. Евстигнеев, Р.М. Имамов, А.А. Ломов, Ю.Г. Садофьев, Ю.В. Хабаров, М.А. Чуев, Д.С. Шипицин B — из двух. Индексы 1, 2 и 3 в табл. 1 поставлены в порядке следования соответствующих областей квантовых ям от подложки к поверхности эпитаксиальной пленки. В последних двух столбцах колонки КДО указаны общая ширина и средневзвешенное содержание In в слое InxGa1-xAs. Эти значения хорошо согласуются с параметрами, заложенными в технологии выращивания.

Модели для образцов A и B наиболее сильно различаются по средней величине степени упорядочения атомов в кристаллической решетке fi основного слоя квантовой ямы. Значение параметра fi = 0.85 для квантовой ямы образца A более чем на 1/3 превышает fi = 0.62 для квантовой ямы образца B (рис. 2, b). Это означает, что In-содержащий слой в образце A более совершенен по структуре по сравнению с аналогичным слоем в образце B. Этот факт подтвеждается еще и тем обстоятельством, что величина интенсивности диффузного рассеяния в Рис. 2. Профили распределения по глубине z статистического области углов, соответствующих отражению от крифактора Дебая–Валлера fi и изменения параметра решетки сталлической решетки InxGa1-xAs, больше у образца B, а в перпендикулярном к поверхности направлении a/a для интерференционные максимумы этого образца (рис. 1, b) образцов A (a) и B (b).

со стороны углов <0 быстрее спадают.

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.