WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 6 Оптические свойства гетероструктур с квантово-размерными слоями InGaAsN на подложках GaAs, излучающих в области 1.3-1.55 мкм © Н.В. Крыжановская¶, А.Ю. Егоров, В.В. Мамутин, Н.К. Поляков, А.Ф. Цацульников, А.Р. Ковш, Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, Д. Бимберг Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Institut fr Festkrperphysik, Technische Universitt, D-10623 Berlin, Deutschland (Получена 24 ноября 2004 г. Принята к печати 10 декабря 2004 г.) Проведены исследования фотолюминесцентных свойств двух видов гетероструктур с квантово-размерными слоями InGaAsN/GaAs, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии: 1) традиционные квантовые ямы InGaAsN в GaAs и 2) гетероструктуры с активной областью, состоящей из короткопериодной сверхрешетки GaAsN/InGaAsN, в центр которой помещена квантовая яма InGaAsN со вставкой InAs субмонослойной толщины. Исследованные гетероструктуры демонстрируют излучение в диапазоне длин волн от 1.3 до 1.55 мкм при комнатной температуре. Показано, что для получения излучения с длиной волны более 1.5 мкм в гетероструктурах второго типа требуется меньшая средняя концентрация азота и индия, чем в традиционной квантовой яме, что позволяет существенно уменьшить эффекты, связанные с распадом твердого раствора InGaAsN, и значительно увеличить излучательную эффективность квантовых ям InGaAsN.

1. Введение В данной работе представлены результаты детального исследования и сравнительный анализ оптических Интерес к исследованию четверных соединений свойств традиционных квантовых ям InGaAsN и кванInGaAsN вызван их уникальными физическими свойтовых ям InGaAsN с вставками InAs, помещенных в ствами и возможностью создания излучателей на басверхрешетки InGaAsN/GaAsN, излучающих в облазе подложек GaAs в телекоммуникационной области сти 1.3-1.55 мкм.

длин волн 1.3-1.55 мкм [1–3] как весомой альтернативы традиционной системе InGaAsP/InP. Высокая нели2. Методика эксперимента нейность зависимости ширины запрещенной зоны от концентрации азота позволяет значительно увеличить Исследованные структуры выращивались методом длину волны излучения квантовых ям (КЯ) InGaAsN молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) на подложках при незначительном увеличении концентрации азота [4].

GaAs(001) с плазменным источником азота с радиоК настоящему времени с использованием в качестве частотным разрядом (Applied Epi UNI-bulb RF Plasma активной области квантовых ям InGaAsN получены Source).

лазеры полосковой конструкции и вертикально излуДля исследования влияния состава КЯ на оптические чающие лазеры, работающие вблизи 1.3 мкм и обласвойства структур было выращено 4 структуры с КЯ дающие низким пороговым током, высокой мощноInGaAsN толщиной 6.2 нм, в которых варьировалось стью и высокой характеристической температурой [1–3].

содержание In и N:

Также было продемонстрировано лазерное излучение In0.38Ga0.62As — структура A, на длине волны 1.52 мкм [5], однако использование In0.38Ga0.62As0.974N0.026 — структура B, достаточно больших концентраций азота и индия в In0.38Ga0.62As0.965N0.035 — структура C, квантовых ямах InGaAsN активной области приводит к In0.41Ga0.59As0.95N0.05 — структура D.

значительному ухудшению характеристик таких лазеров.

Для уменьшения мольной доли азота и индия в КЯ Вследствие существования зоны несмешиваемости с были предложены различные конструкции структур с увеличением мольной доли N и In происходит фаиспользованием дополнительных слоев, что позволило зовый распад твердого раствора InGaAsN с образополучить излучение в области 1.41 мкм без значительнованием областей, обогащенных индием и азотом [8].

го ухудшения оптических свойств структур [6]. Недавно Для подавления этого эффекта, усиливающегося при Егоровым [7] с соавт. была предложена оригинальная увеличении концентрации N, в молекулярно-пучковой методика дальнейшего увеличения длины волны излуэпитаксии осаждение азотсодержащих слоев проводится чения в область до 1.55 мкм, которая заключается в при пониженной температуре подложки. Необходимо добавлении тонких вставок InAs в середину квантовой отметить, что использование таких неравновесных паямы InGaAsN, окруженной короткопериодными сверхраметров роста предъявляет повышенные требования решетками InGaAsN/GaAsN.

к чистоте исходных материалов и ростовой камеры.

¶ E-mail: kryj@mail.ioffe.ru В исследованных образцах КЯ помещена в середину 736 Н.В. Крыжановская, А.Ю. Егоров, В.В. Мамутин, Н.К. Поляков, А.Ф. Цацульников...

порядка одного монослоя. Структуры E и F содержат сверхрешетки из 2 периодов, расположенных симметрично с обеих сторон КЯ. Структура G содержит 3 таких периода. Общая толщина центральной ямы InGaAsN составляла 6.8 нм. Схематические диаграммы дна зоны проводимости структур E-G приведены на вставках к рис. 2.

Фотолюминесценция (ФЛ) структур возбуждалась Ar+-лазером, работающим в непрерывном режиме (W = 1-1500 Вт/см2, = 514 нм), или лазером YAG : Nd, работающим на второй гармонике в непрерывном режиме (W = 1500 Вт/см2, = 532 нм). Для исследований ФЛ в температурном диапазоне 10-300 K образцы помещались в гелиевый криостат замкнутого цикла. Исследования спектров возбуждения люминесценРис. 1. Спектры фотолюминесценции структур с квантовыми ции проводились при возбуждении светом галогеновой ямами InxGa1-x As1-y Ny с различной концентрацией N (y) и лампы накаливания, пропущенным через монохроматор.

In (x) (структуры A-D), измеренные при T = 300 K. Величина x в структурах: A-C — 0.38, D — 0.41; величина y: A —0, Образцы монтировались в гелиевый криостат проточB — 0.026, C — 0.035, D — 0.05.

ного типа. Детектирование сигнала производилось с помощью монохроматора и охлаждаемого германиевого фотодиода.

3. Результаты исследований и их обсуждение На рис. 1 представлены спектры ФЛ КЯ InGaAsN с различной концентрацией азота и индия (структуры A-D). Увеличение мольной доли азота от 0 до 3.5% при концентрации In 38% (структуры A-C) приводит к сдвигу максимума ФЛ от 1.1 до 1.43 мкм. Дальнейшее увеличение концентраций азота и индия до 5 и 41% соответственно (структура D) позволило сдвинуть максимум ФЛ до 1.55 мкм. С увеличением концентрации азота и индия в структурах происходит падение интенсивности ФЛ и уширение линии ФЛ, свидетельствуРис. 2. Спектры фотолюминесценции структур E, F, G, измеющее об увеличении степени неоднородности КЯ по ренные при T = 300 K.

составу и толщине. Это связано с распадом твердого раствора, приводящим к возникновению сильных локальных напряжений, деформации поверхности и появслоя GaAs толщиной 0.2 мкм, ограниченного со столению центров трехмерной локализации носителей [9].

роны подложки и поверхности барьерами Al0.3Ga0.7As.

При достаточно высоких концентрациях In и N в слое При выращивании КЯ температура подложки опускалась возможен даже переход к трехмерному режиму роста с до 350C. Остальная часть структуры была выраобразованием квантовых точек [10]. На рис. 3, a привещена при 500-600C. Схематическая диаграмма дна дены зависимости положений максимумов ФЛ структур зоны проводимости структур A-D приведена на вставке A-D от мощности оптической накачки при 10 K. Изк рис. 1.

вестно, что увеличение мощности оптической накачки Для исследования возможности дальнейшего смеще- приводит к постепенному заполнению локализованных ния излучения в длинноволновую сторону на уста- энергетических состояний, связанных с флуктуациями новке МПЭ ЭП-1203 с таким же плазменным ис- состава и толщины КЯ, а также к соответствующему точником азота (Applied UNI-bulb RF) была выра- коротковолновому сдвигу максимума линии ФЛ. Отсутщена структура E, в которой КЯ с параметрами, ствие такого сдвига максимума линии ФЛ структуры A аналогичными параметрам структуры B, помещалась говорит о высокой однородности КЯ In0.38Ga0.62As. В КЯ в сверхрешетку GaAs0.96N0.04/In0.38Ga0.62As0.974N0.026 с In0.38Ga0.62As0.974N0.026 при изменении оптической мощтолщиной слоев 1.3/1 нм соответственно. В структурах ности накачки на 3 порядка происходит сдвиг максимума F, G, созданных на базе структуры E, в середину КЯ линии ФЛ на = 16 мэВ, а с увеличением концентрации In0.38Ga0.62As0.974N0.026 помещали слой InAs толщиной азота до 5% (структура D) происходит сдвиг максимума Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Оптические свойства гетероструктур с квантово-размерными слоями InGaAsN на подложках GaAs... линии ФЛ на = 26 мэВ, что говорит о существенной неоднородности слоя. Это согласуется с увеличением полуширины линии ФЛ структур (рис. 1).

Информация о существовании локализованных состояний в структуре может быть также получена из температурных зависимостей ФЛ. Необходимо учесть, что если плотности накачки достаточно для заполнения состояний центров трехмерной локализации носителей, связанных с флуктуациями потенциала, то доминирующей становится рекомбинация носителей, локализованных в плоскости КЯ. Поэтому для адекватной характеризации оптического и структурного качества образцов исследования температурной зависимости ФЛ проводились при пониженной плотности накачки (W = 10 Вт/см2). На рис. 3, b представлены зависимости положения максимума ФЛ от температуры. В общем случае величина температурного сдвига максимума ФЛ описывается законом Варшни, согласно которому уменьшение ширины запрещенной зоны GaAs при увеличении температуры от 10 до 300 K составляет 84 мэВ, что соответствует температурному сдвигу максимума ФЛ структуры A.

В то же время при увеличении концентрации N (структуры B-D) в слое происходит уменьшение величины температурного сдвига максимума ФЛ и изменение вида самой зависимости. Это связано с тем, что при низких температурах излучательные процессы в КЯ InGaAsN определяются рекомбинацией экситонов, локализованных на флуктуациях потенциала КЯ [11]. С увеличением температуры происходит термический выброс носителей из локализованных состояний на уровень, соответствующий локализации носителей в плоскости КЯ (температурный участок сдвига максимума ФЛ в сторону больших энергий фотона). Для структур B-D точка перегиба температурной зависимости, соответствующая переходу к рекомбинации носителей, локализованных в плоскости КЯ, составляет 140 K. Количественно энергию локализации носителей на флуктуациях потенциала КЯ при низкой температуре можно определить из спектров возбуждения люминесценции (СВЛ). На рис. представлены СВЛ и ФЛ структур A-D, полученных при 7 K. На СВЛ квантовых ям наблюдаются особенности, связанные с поглощением на уровнях, соответствующих оптическим переходам e1-hh1, e1-lh1 и e2-hh2 [12].

Стоксов сдвиг между энергией максимума ФЛ и энергией максимума спектра возбуждения, соответствующего переходу e1-hh1, отсутствует в структуре A, но из-за существования локализованных состояний, определяющих люминесценцию при низких температурах, возникает в структуре B ( = 45 мэВ) и увеличивается до 80 мэВ в S структуре D по мере увеличения содержания азота в КЯ.

Для подавления эффекта распада твердого раствора InGaAsN, связанного с присутствием атомов азота и индия в высоких концентрациях, и улучшения опРис. 3. Зависимости положений максимумов фотолюминес- тических свойств КЯ InGaAsN, излучающих в облаценции структур A-D: a — от мощности оптической накачки сти 1.55 мкм, было предложено добавить тонкие вставки при температуре 10 K и b — от температуры при мощности InAs в середину квантовой ямы InGaAsN, окруженоптической накачки 10 Вт/см2.

ную сверхрешеткой InGaAsN/GaAsN [7]. Этот метод 7 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 738 Н.В. Крыжановская, А.Ю. Егоров, В.В. Мамутин, Н.К. Поляков, А.Ф. Цацульников...

Рис. 4. Спектры фотолюминесценции (штриховые линии) и спектры возбуждения люминесценции (сплошные линии) для структур A-D, измеренные при температуре 7 K.

позволяет существенно понизить среднюю концентрацию азота и индия в активной области структуры.

Для исследования эффектов, связанных с включением дополнительных слоев сверхрешетки InGaAsN/GaAsN, была выращена структура E, в которой параметры КЯ In0.38Ga0.62As0.974N0.026 были выбраны такими же, как и в структуре B. Спектр ФЛ структуры E при комнатной температуре представлен на рис. 2. Видно, что использование сверхрешетки InGaAsN/GaAsN позволяет, благодаря уменьшению потенциала барьера, сдвинуть длину волны излучения КЯ до 1.4 мкм без существенного ухудшения качества структуры. Средний параметр кристаллической решетки используемых сверхрешеток InGaAsN/GaAsN близок к параметру кристаллической решетки GaAs и, следовательно, не вносит дополнительных упругих напряжений в формируемую гетероструктуру. Поэтому КЯ InGaAsN с тонкими вставками Рис. 5. Зависимости положений максимумов фотолюминесInAs (структуры F, G) создавались на базе структуры E.

ценции структур E, F, G: a — от мощности оптической накачки Спектры ФЛ структур F, G, измеренные при комнатной при температуре 10 K и b — от температуры при мощности температуре, также представлены на рис. 2. Видно, что оптической накачки 10 Вт/см2.

добавление тонкого слоя InAs (структура F) в центр Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Оптические свойства гетероструктур с квантово-размерными слоями InGaAsN на подложках GaAs... центр ямы InGaAsN. Исследования зависимостей положения максимума ФЛ от температуры (рис. 5, b) также продемонстрировали уменьшение роли локализованных состояний в излучательных процессах структур F, G.

Величина температурного сдвига максимума ФЛ для данных структур составляет 55 мэВ в температурном диапазоне 10-300 K, а точка перегиба зависимости положения максимума ФЛ от температуры находится вблизи температуры 70 K, в то время как в структурах с традиционными КЯ температура точки перегиба находится вблизи 140 K.

Спектры возбуждения люминесценции структур E-G представлены на рис. 6. Максимум, находящийся в области 1.3-1.4 эВ на спектрах ФЛ, соответствует излучению из слоя GaAsN, формирующегося в буферном слое GaAs в момент поджига плазмы в источнике атомарного азота. На представленных спектрах возбуждения люминесценции структур E-G наблюдаются максимумы с энергией 1.1-1.15 эВ, соответствующие поглощению в слоях InGaAsN/GaAsN, и максимумы, соответствующие оптическим переходам e1-hh1, e1-lhквантовой ямы (отмечены точками). Величины стоксова сдвига в структурах E-G значительно меньше, чем в S структурах с простыми КЯ (образцы B-D, рис. 4), что позволяет сделать вывод о существенном уменьшении эффектов, связанных с образованием локализованных состояний, возникающих при увеличении концентрации азота в исследованных структурах, необходимом для продвижения в сторону увеличения длин волн излучения до 1.55 мкм.

4. Заключение Рис. 6. Спектры фотолюминесценции (штриховые линии) и спектры возбуждения люминесценции (сплошные линии) Исследованы оптические свойства двух видов гетероструктур E, F, G, измеренные при температуре 7 K.

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.