WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 7 Переход от термодинамического режима формирования квантовых точек в системе InAs / GaAs(100) к кинетическому ¶ + + © Ю.Г. Мусихин, Г.Э. Цырлин, В.Г. Дубровский, Ю.Б. Самсоненко, + А.А. Тонких, Н.А. Берт, В.М. Устинов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия + Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, 190083 Санкт-Петербург, Россия (Получена 9 ноября 2004 г. Принята к печати 25 ноября 2004 г.) Представлены результаты экспериментального и теоретического исследования процессов формирования квантовых точек в системе InAs / GaAs(100) при докритической толщине осажденного InAs (1.5-1.6 монослоев). Показано, что в докритической области толщин (менее 1.6 монослоев InAs) плотность квантовых точек возрастает, а их размер убывает с увеличением температуры и не зависит от скорости осаждения.

В закритической области (более 1.8 монослоев InAs) плотность квантовых точек возрастает, а их размер убывает при уменьшении температуры и увеличении скорости осаждения. Наблюдаемый эффект связан с переходом от термодинамического режима формирования квантовых точек вблизи критической толщины к кинетическому.

1. Введение формирование докритических InAs КТ на поверхности GaAs(100) было экспериментально обнаружено метоУникальные свойства полупроводниковых гетеро- дами дифракции быстрых электронов на отражение структур на основе квантовых точек (КТ), связанные (ДБЭО) и фотолюминесценции. Для проведения сис атомоподобным спектром энергетических состояний стемного анализа докритических КТ полученные ранее в КТ, делают их весьма перспективными для приме- результаты в настоящей работе будут дополнены даннынений в современной опто- и микроэлектронике [1–3]. ми просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ).

Одной из важнейших задач в физике и технологии После этого полученные экспериментальные данные прямого получения КТ методом молекулярно-пучковой будут проанализированы с позиций кинетической теории эпитаксии (МПЭ) является исследование механизмов формирования когерентных островков в рассогласованих формирования, необходимое для контролируемого ных гетероэпитаксиальных системах [12–15].

выращивания ансамблей КТ с заданными свойствами. До недавнего времени считалось общепризнанным [2], что 2. Эксперимент формирование упругонапряженных КТ в полупроводниковых системах, рассогласованных по параметру решетИсследуемые образцы были выращены методом МПЭ ки (например, в системе материалов InAs / GaAs(100) на установке ЭП1203. В качестве подложек использовас рассогласованием решеток 0 = 7%), может происхолись монокристаллические полуизолирующие пластины дить только тогда, когда общее количество осажденного арсенида галлия с ориентацией поверхности (100). Обна поверхность материала H0 превосходит некоторую разцы выращивались по следующей схеме. На буферный критическую толщину Hc. Эта критическая толщина слой GaAs, выращенный при температуре 580C, осауменьшается с увеличением рассогласования решеток и ждался слой InAs, толщина которого составляла 1.6 модля системы материалов InAs / GaAs(100) при типичных нослоя (ML), для первой серии образцов и 1.5 ML — ростовых температурах составляет примерно 1.7 монодля второй. Ростовые температуры, при которых прослоя (ML) [4–7]. Однако в некоторых работах (наприисходило осаждение слоя InAs, не превышали 485C.

мер, в [8]) ранее указывалось на экспериментальное Скорость осаждения InAs для всех исследуемых обобнаружение InAs КТ и при докритических толщинах разцов составляла 0.05 ML / с. После осаждения InAs осажденного InAs — менее 1.6 ML. Вопрос о природе поверхность подложки выдерживалась некоторое время критической толщины важен, в частности, для ответа на в потоке As4, затем на нее осаждался покрывающий вопрос о том, являются ли наблюдаемые в эксперименте слой GaAs толщиной 5 нм при той же температуре структурные свойства ансамблей КТ термодинамически подложки. Далее температура подложки поднималась или кинетически контролируемыми [9–15].

до 585C и происходил рост 50 нм GaAs. Таким образом, Настоящая работа является продолжением цикла эксбыли получены две серии образцов. В первой серии периментальных [11–13] и теоретических [12–15] работ InAs осаждался на поверхность GaAs при температурах авторов, посвященных исследованию возможностей и 485, 450 и 420 C, причем толщина InAs-слоя составлязакономерностей формирования КТ. В работах [11,12] ла 1.6 ML. Во второй серии InAs осаждался при тех же ¶ E-mail: musikhin@mail.ioffe.ru температурах, но толщина слоя была 1.5 ML. Заметим, 854 Ю.Г. Мусихин, Г.Э. Цырлин, В.Г. Дубровский, Ю.Б. Самсоненко, А.А. Тонких, Н.А. Берт, В.М. Устинов Таблица 1. Параметры исследуемых образцов чительно позднее по отношению к образцам, содержащим 1.6 ML InAs. Кроме того, при толщине осаждения Образец Толщина InAs, ML T, C Время формирования, с 1.5 ML и температуре подложки 485C образование КТ не наблюдалось при времени выдержки 90 с.

1a 1.6 485 1b 1.6 450 4 Исследования методом ПЭМ были выполнены на про1c 1.6 420 свечивающем электронном микроскопе Philips EM2a 1.5 485 > с ускоряющим напряжением 100 кВ. Образцы как в 2b 1.5 450 геометрии поперечного сечения, так и в планарной 2c 1.5 420 геометрии были приготовлены с помощью ионного распыления. Ионное распыление проводилось на установке Gatan DOU Mill 600TM ионами аргона с энергией 4 кэВ. Для визуализации упругонапряженных когечто для каждого образца было различным время выдержрентных включений был использован режим светлого ки поверхности после стадии осаждения InAs. Наличие поля с рабочим рефлексом типа (220).

этапа выдержки необходимо для того, чтобы сформировать упругонапряженный ансамбль InAs-островков из начальной пленки с малой степенью метастабильности.

3. Результаты и их теоретическая Появление островков InAs на поверхности структуры интерпретация наблюдалось по характерным изменениям картин ДБЭО.

В табл. 1 сведены основные параметры и результаты Электронно-микроскопические исследования показаизмерений исследуемых образцов. Отметим особенности ли, что образование InAs-КТ на поверхности GaAs(100) формирования InAs-квантовых точек при докритических происходит как при осаждении 1.6 монослоя InAs толщинах осажденного материала на следующем приме- (рис. 1), так и при осаждении 1.5 монослоя (рис. 2).

ре. In situ наблюдения за ДБЭО картинами показали, что На приведенных ПЭМ изображениях поверхности отсразу после осаждения InAs-слоя толщиной 1.5-1.6ML четливо наблюдается контраст, характерный для упруна поверхности не происходит образования островков. гокогерентных включений. Анализ ПЭМ изображений показал, что плотность включений соответствует тиДифракционные картины в этом случае оставались пичным значениям для плотности InAs-КТ в матрице линейчатыми, и на них были видны лишь основные GaAs 1010 см-2. Величины плотностей InAs-КТ при (0n) рефлексы. Следующая за осаждением InAs стадия выдержки в потоке As4 приводила (в большинстве слу- осаждении 1.6 ML InAs для всех образцов были больше, чем при осаждении 1.5 ML. Таким образом, плотчаев) к кардинальному изменению ДБЭО картин. Нами ность КТ при фиксированной температуре поверхности наблюдалось характерное для островкового роста [4] увеличивается с увеличением количества осажденного появление объемных дифракционных рефлексов. После InAs. Температурная зависимость плотности КТ более появления объемных рефлексов поверхность образцов сложная, так как значение плотности при осаждении выдерживалась еще некоторое время под потоком As4, 1.5 ML InAs и температуре подложки 420C ниже, чем что приводило к появлению на ней наклонных линейчатых рефлексов, исходящих из объемных, которые соответствовали дифракции электронов от боковых граней островков. Характерным моментом образования КТ мы считали момент появления точечных рефлексов, а по моменту появления наклонных дополнительных рефлексов нами оценивалось время достижения островками их квазистационарных размеров [12]. Осаждение покрывающего слоя GaAs начиналось сразу после появления дополнительных наклонных рефлексов на дифракционной картине. Анализ приведенных в табл. 1 данных о временах образования КТ в зависимости от температуры подложки для структур с 1.5 и 1.6 ML InAs позволяет сделать следующие выводы. Во-первых, формирование островков происходит и в случае большей толщины осажденного материала (1.6 ML), и в случае меньшей толщины осажденного материала (1.5 ML). Как неоднократно отмечалось ранее в работах [4–7], а также в наших экспериментах [11,12], обе эти величины меньРис. 1. ПЭМ изображение образца с 1.6 ML InAs, осажденше критической толщины образования квантовых точек ными при температуре подложки T = 485 C, в планарной по механизму Странского–Крастанова. Во-вторых, для геометрии, полученное в режиме светлого поля при рабочем структур с 1.5 ML InAs образование КТ происходит зна- рефлексе (220).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Переход от термодинамического режима формирования квантовых точек в системе... происходит „опрокидывание“ температурной зависимости плотности КТ, что и иллюстрируется графиками на рис. 3.

Подобное поведение плотности островков в зависимости от толщины осажденного материала и температуры поверхности может быть объяснено с позиций кинетической теории формирования КТ [11–15]. Как показано в [16], формирование упругонапряженных КТ возможно только тогда, когда толщина осаждения H превосходит равновесную толщину смачивающего слоя (СС) heq: H > heq. Равновесная толщина соответствует равенству смачивающей и упругой энергии в СС [17].

Для параметров системы InAs / GaAs(100) оценки дают heq 1.0-1.1ML [12]. Критическая толщина Hc в случае осаждения при постоянной температуре T и скорости осаждения V является кинетической величиной, равной максимальной толщине СС, при которой островки зарождаются с максимальной скоростью [14].

Рис. 2. ПЭМ изображение образца с 1.5 ML InAs, осажденВ случае закритических толщин осаждения до момента ными при температуре подложки T = 450 C, в планарной достижения критической толщины Hc толщина СС h геометрии, полученное в режиме светлого поля при рабочем увеличивается, при этом объем островков мал и H h.

рефлексе (220).

После достижения критической толщины толщина СС уменьшается, увеличивается объем островков и продолжает расти количество осажденного материала H, пока рост не будет остановлен при H = H0 = Vt0, H0 — толщина осажденного материала в момент выключения источника, t0 — время выключения источника.

В отсутствие десорбции уравнение баланса вещества на поверхности имеет вид H(t) =h(t) +G(t), (1) где H(t) — количество осажденного материала, h(t) — средняя толщина СС (вообще говоря, с учетом диффундирующих по его поверхности адатомов), G(t) — суммарный объем островков на единицу площади поверхности, выраженный в единицах ML, t — время осаждения. Функция G(t) в соответствии с теорией Рис. 3. Зависимость поверхностной плотности КТ в системе нуклеации [14–16] определяется скоростью зарождения InAs / GaAs(100) от толщины осажденного InAs при различных островков I(t) и скоростью их роста v(t):

температурах поверхности, C: 1 — 420, 2 — 450.

t G(t) =const dt I(t )3/2(t, t), (2) для 450C, тогда как для эффективной толщины 1.6 ML наблюдается обратное соотношение (рис. 3). На рис. t представлены графики поверхностной плотности КТ, (t, t) = dv( ). (3) полученные на основе обработки ПЭМ изображений t образцов с 1.5 и 1.6 ML InAs и дополненные данными о плотности структуры с 2 ML InAs из работы [12], в Здесь (t, t ) есть текущий „размер“ островка, родившезависимости от толщины осажденного InAs при двух гося в момент времени t, в единицах постоянной решетразличных температурах поверхности — 420 и 450C.

ки. Скорость зарождения I нормирована так, чтобы ее Как видно из полученных графиков, в области от 1.6 ML размерность была равна 1 / с. В выражении (2) и далее и выше плотность островков при данной толщине InAs мы не следим за всеми константами порядка единицы.

уменьшается при увеличении температуры поверхности, Для применения формулы (2) необходимо выбрать такой а при 1.5 ML — увеличивается при увеличении темпе- „размер“ островка, для которого скорость роста v(t) не ратуры. Таким образом, вблизи критической толщины зависит от. Естественно предположить [12–16], что в Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 856 Ю.Г. Мусихин, Г.Э. Цырлин, В.Г. Дубровский, Ю.Б. Самсоненко, А.А. Тонких, Н.А. Берт, В.М. Устинов случае малых покрытий поверхности островки потреб- с поверхности принять аррениусовскую температурную ляют атомы с поверхности со скоростью, пропорцио- зависимость v exp(-ED/kBT ), то нальной их периметру. При этом для роста трехмерных Q v/V (1/V ) exp(-ED/kBT ). (9) островков с линейным размером L имеем Здесь ED — активационный барьер диффузии с поверхd(L3) L L2. (4) ности в островок, стимулированной упругими напряжеdt ниями [16]. Для плотности островков в закритической Следовательно, размер с точностью до константы области с учетом (5), (6), (8) и (9) следует есть площадь основания островка, а объем островка L3 3/2, с чем и связана степень 3/2 в формуле (2).

3ED 3/N dtI(t) Q-3/2 V exp. (10) Далее, из теории нуклеации известно, что зарождение 2kBT островков происходит в весьма узком интервале вре- мен вблизи максимума метастабильности системы [18].

Следовательно, в области закритических толщин осаВ нашем случае максимальная метастабильность есть ждения плотность островков увеличивается при увелимаксимум упругих напряжений в точке максимума толчении скорости осаждения, уменьшается при увеличении щины СС, поэтому скорость зарождения I(t) можно температуры поверхности и слабо зависит от толщины представить в виде осаждения (в отсутствие вторичного зарождения [19]).

Зависимость (10) имеет чисто кинетическую природу и t - tc t - tc I(t) =I(Hc) f v exp -F(Hc) f.

практически не зависит от термодинамических характе t t ристик системы.

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.