WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 7 Особенности роста квантовых точек InAs на вицинальной поверхности GaAs (001), разориентированной в направлении [010] © В.П. Евтихиев, В.Е. Токранов, А.К. Крыжановский, А.М. Бойко, Р.А. Сурис, А.Н. Титков, А. Накамура, М. Ичида Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Центр объединенных исследований по физике и технике при Нагойском университете, 464-01 Нагойя, Япония (Получена 15 января 1998 г. Принята к печати 19 января 1998 г.) Методом атомно-силовой микроскопии исследованы структуры с InAs-квантовыми точками, полученные молекулярно-пучковой эпитаксией на вицинальных поверхностях GaAs (001), разориентированных в направлении [010] на 1, 2, 4 и 6 град. Показано, что при выбранном направлении разориентации вицинальная поверхность GaAs (010) покрывается сетью ступенчатых террас. Уплотнение сети террас по мере увеличения угла разориентации приводит к блокированию поверхностной диффузии адсорбированных атомов и делает возможным получение более плотных и более однородных ансамблей квантовых точек при одновременном существенном снижении вероятности их коалесценции.

Для реализации уникальных электронных свойств по- заметного числа КТ в большие острова, что приводит к лупроводниковых квантовых точек (КТ), обусловленных резкому уширению функции распределения КТ по раз-образной для КТ зависимостью плотности электрон- мерам [5]. Рассматриваемые данные свидетельствуют об ных состояний от энергии, требуется создание плот- определяющей роли диффузии поверхностных адатомов ных массивов однородных квантовых точек [1]. Тра- в процессе формирования КТ. Увеличение длины поверхдиционные методы приготовления полупроводниковых ностной диффузии, вызванное увеличением температуры наноструктур, основанные на литографии с последую- подложки, приводит к увеличению размеров InAs-КТ и щим травлением, к сожалению, не позволяют получать уменьшению их плотности [6].

достаточно однородные ансамбли КТ. Использование В работе [7] было исследовано влияние угла разориподобных методов приводит, одновременно, к заметной ентации GaAs (001)-подложки в направлении [111B] на дефектности интерфейсов в структурах. В связи с этим большое внимание исследователей в настоящее время привлекает способ получения КТ непосредственно во время гетероэпитаксиального роста рассогласованных по параметру решетки полупроводников по механизму Странского–Крастанова [2]. Напряжения, возникающие из-за рассогласования параметров решеток, приводят к последовательной смене моды роста с двумерной на трехмерную. Увеличение энергии системы, вызванное механическими напряжениями, частично компенсируется за счет образования свободных от дислокаций наноостровков — КТ. Для одной из наиболее изученных систем InAs/GaAs (001) критическая для перехода к островковому росту толщина слоя InAs составляет примерно 1.5 монослоя [3].

В ряде работ [4–6] было подробно изучено влияние основных ростовых параметров молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) на плотность и размеры InAs-КТ. Было установлено, что увеличение толщины осаждаемого InAs-покрытия приводит к росту размеров и плотности КТ. Варьирование отношения потоков элементов III и V групп и температуры подложки также влияет на эти параметры и позволяют управлять плотностью массивов КТ в диапазоне концентраций 108-1011 см-2 [4,5].

Формирование массивов InAs-КТ с плотностью большей Рис. 1. Схематические изображения структуры вицинальной поверхности GaAs (001), разориентированной в направлении 3 · 1010 см-2 на точно ориентированной поверхности [001]: a — идеальной, b — реально ожидаемой.

GaAs (001), как правило, сопровождается коалесценцией Особенности роста квантовых точек InAs на вицинальной поверхности GaAs (001)... Рис. 2. Изображения (500 500 нм) вицинальных поверхностей GaAs (001), полученные методом атомно-силовой микроскопии.

Поверхности покрыты слоем InAs толщиной 1.8 МС. Углы разориентации поверхности GaAs, град.: a —0, b —1, c —2, d —6. На рис. 2, e показан профиль поверхности, соответствующий прямой b-b на рис. 2, b. Стрелками на ретушированной части рис. 2, d показаны отдельные сужения между террасами.

функцию распределения InGaAs-КТ по размерам. Ав- вицинальной поверхности должны возникать ступени, торы обнаружили, что увеличение угла разориентации распространяющиеся по двум направлениям [110] и от 0 до 41 приводило к уменьшению размеров КТ и [110] [8]. Пересечение этих ступеней может формиувеличению их плотности. Эти результаты объяснялись ровать на поверхности сеть террас специфической конв работе тем, что увеличение угла разориентации приво- фигурации, изображенную на рис. 1, a. В работе [9] дит к увеличению на разориентированных поверхностях было предложено использовать такие вицинальные поплотности ступеней роста и, как следствие, к уменьше- верхности для создания упорядоченного распределения нию длины поверхностной диффузии.

легирующих примесей или субмонослойных островков Среди возможных направлений разориентации поверх- InAs. Авторы показали, что упорядоченное распредености GaAs (001) особый интерес представляет напра- ление возможно из-за преимущественного встраивания вление [010]. На таким образом разориентированной адатомов в углы террас.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 862 В.П. Евтихиев, В.Е. Токранов, А.К. Крыжановский, А.М. Бойко, Р.А. Сурис, А.Н. Титков, А. Накамура...

Рис. 3. Изображения, полученные методом атомно-силовой микроскопии, вицинальных поверхностей GaAs (001), покрытых слоем InAs толщиной 3 МС. Углы разориентации поверхности GaAs, град.: a —0, b —1, c —2, d —6.

Наша работа посвящена исследованию влияния ра- Мы вырастили слои InAs толщиной 1.8 и 3 монозориентации поверхности GaAs (001) в направлении слоя (МС) методом МПЭ на поверхностях GaAs (001), [010] на размеры, распределение и плотность InAs-КТ, разориентированных в направлении [010] на 0, 1, 2, выращиваемых методом МПЭ. Исследование роста 4, 6 град. Сравнительно небольшая область изменения КТ на таких вицинальных поверхностях представляется углов была выбрана для того, чтобы изучаемые поинтересным по следующей причине. В соответствии с верхности отличались друг от друга только плотностью моделью Y. Takura с соавт. [10] на границах ступеней ступеней роста, а не качественными изменения морфосуществуют энергетические барьеры в поверхностном логии поверхности, вызванными приближением к новым потенциале для диффундирующих адатомов. Эти барье- сингулярным граням. Каждый процесс эпитаксии проворы должны препятствовать диффузии адатомов с одной дился одновременно на всех поверхностях с выбранными террасы на другую. Представленный на рис. 1, a идеаль- углами разориентации. Для создания однородной сетки ный вид вицинальной поверхности, на которой каждая террас перед началом эпитаксии InAs выращивался бу терраса ограничена ступенями [110] и [110] с четырех ферный слой GaAs в режиме ”step-flow”. Рост провосторон, является предельным и труднодостижимым в дился на установке МПЭ ЦНА-4. Условия перехода в реализации случаем. В действительности высокая веро- режим роста step-flow определялись с помощью метода ятность ухода атомов с внешних углов террас долж- дифракции быстрых электронов (ДБЭ). Скорость роста на приводить к скруглению углов и, как результат, к InAs порядка 0.15 МС/с калибровалась по осцилляциям частичному объединению террас, как это схематически ДБЭ. Ошибка в определении скорости роста InAs не показано на рис. 1, b. Мы предполагаем, что диф- превышала 5%.

фузия адатомов между террасами, даже соединенными Структура поверхности образцов изучалась методом воротами (gateways), по-прежнему будет затруднена. В атомно-силовой микроскопии (АСМ). Изображения поэтом случае рост КТ в каждом месте будет происходить верхности получались в комнатных условиях при скапреимущественно за счет материала, осажденного на той нировании в режиме постоянной силы давления (конже террасе. Очевидно, что такое блокирование диффузии тактной моде). Пространственное разрешение, достигавдолжно приводить к изменению плотности, размера и шееся с помощью иглы из Si3N4 радиусом R < 300, однородности ансамбля КТ. расположенной на V-образной микроконсоли (cantilever), Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Особенности роста квантовых точек InAs на вицинальной поверхности GaAs (001)... позволяло достоверно наблюдать на поверхности даже моноатомные ступеньки и, следовательно, было достаточным для обнаружения и характеризации гораздо более крупных объектов, которыми являются КТ.

На рис. 2 представлены АСМ изображения вицинальных поверхностей с толщиной InAs-покрытия в 1.8 МС.

Как и ожидалось, поверхности оказались разбиты на атомно-гладкие террасы, часть из которых соединена воротами. Увеличение угла разориентации приводит к увеличению линейной плотности и уменьшению ширины террас. Средняя ширина террас составляла, соответственно, 500 для 1, 360 для 2, и 250 для 6. Эти значения заметно больше размеров террас, рассчитанных в предположении, что высота ступени составляет один монослой. Наблюдаемые отличия объясняются известным явлением ”складывания” моноатомных ступеней (step-bunching), усиливающимся по мере увеличения угла разоринетации [11]. Анализ профилей АСМ-изображения на рис. 2 показал, что в нашем случае среднее значение высоты террасы возрастает с увеличением угла разориентации от 2–3 МС для 1 до примерно 10 МС для 6.

Толщина InAs-покрытия в 1.8 МС соответствует только началу роста островков по механизму Странского– Крастанова. Действительно, на поверхности образцов Рис. 4. Гистограммы распределения квантовых точек InAs с разориентацией 0 и 1 наблюдаются лишь отдельпо высоте () для вицинальных поверхностей GaAs с углами ные редкие КТ. При этом интересно отметить, что разориентации в град.: a —0, b —2, c —6. N— количество дальнейшее увеличение угла разориентации приводит точек.

к исчезновению и этих КТ. Рассмотрение АСМ изображений и профиля высоты КТ на рис. 2 показывает, что КТ преимущественно располагаются на краях реально достигнутая дисперсия InAs-КТ по высоте на террас, примыкающих к вышележащим террасам. Такое самом деле меньше ±10%.

расположение КТ соответствует представлению о преОбнаруженные изменения плотности КТ, распредеимущественном встраивании адсорбированных атомов в ления КТ по размерам, а также отсутствие больших изломы вышележащих ступеней [9,12].

островков на вицинальных поверхностях мы объясняем На рис. 3 представлены АСМ изображения вициподавлением процесса диффузии адатомов In из-за тернальных поверхностей с толщиной InAs-покрытия в расистой структуры таких поверхностей. Обращает на 3 МС. На поверхностях наблюдается возникновение себя внимание большая величина эффекта. Разориентабольшого числа InAs-КТ, плотность которых возрастает, ция поверхности GaAs (001) в направлении [010] всего а размер уменьшается с увеличением угла разориенна 2 практически подавляет коалесценцию КТ и резко тации. На поверхностях также присутствуют большие увеличивает их плотность. При этом характер разбиения InAs-острова, образованные в результате коалесценции поверхности на террасы, как можно видеть на рис. 2, InAs-КТ. Однако их количество резко уменьшается с казалось бы оставляет возможность диффузии адатомов увеличением угла разориентации, и на поверхности с вдоль ступеней через ворота, соединяющие отдельные разориентацией в 6 большие InAs-острова практически террасы.

отсутствуют. Гистограммы распределений КТ по высоте, Чтобы получить представление о возможной роли представленные на рис. 4, показывают, что средняя диффузии адатомов вдоль ступеней, оценим скорость высота InAs-КТ изменяется от 34 для 0 до 20 для коалесценции КТ, расположенных на соседних террасах.

6. Дисперсия по высоте при этом уменьшается от В общем случае рост квантовой точки происходит за ±15% до ±10% соответственно. Так как из-за плотного счет атомов, адсорбированных на площади радиусом расположения КТ на поверхности не удается увидеть R L, где L — эффективная длина поверхностной дифпод ними ступени, отсчет высоты КТ производился от фузии адатомов. Концентрация адатомов вблизи кванусредненной высоты поверхности. Таким образом, на АСМ изображении эффективная высота КТ складыва- товой точки является функцией величины падающего ется из собственно высоты КТ и высоты террасы под потока, температуры подложки и радиуса квантовой ней, которая вследствие явления складывания атомных точки [13]. Если в окрестности квантовой точки раступеней сама обладает дисперсией по высоте. Поэтому диусом R оказывается вторая точка, то конкуренция Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 864 В.П. Евтихиев, В.Е. Токранов, А.К. Крыжановский, А.М. Бойко, Р.А. Сурис, А.Н. Титков, А. Накамура...

с точки на точку прямо пропорциональна ширине ворот.

Учет обратного диффузионного потока со второй точки на первую, отражающий реальное соотношение размеров точек R1/R2, может только уменьшить скорость коалесценции. Проведенное рассмотрение показывает, что заметное блокирование диффузии адатомов между соседними террасами делает маловероятным участие в коалесценции КТ, расположенных на более отдаленных террасах, что и требовалось объяснить.

Таким образом, результаты работы показывают, что Рис. 5. Модель соединяющихся террас, использованная при создание сети террас на вицинальных поверхностях расчете. B — квантовая точка, A — ворота между террасами.

GaAs (001), разориентированных в направлении [010], открывает интересную возможность управления плотностью, размером и однородностью InAs-КТ, снижает вероятность коалесценции КТ и увеличивает критическую толщину InAs-покрытия.

Авторы благодарят А.Б. Комиссарова за помощь в приготовлении образцов.

Работа была поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (гранты 95-02-06038, 96-0217952 и 97-02-18291) и Государственной программой ”Физика твердотельных наноструктур” (грант 97-2014).

Список литературы Рис. 6. Зависимость отношения максимальных скоростей переноса (vd/vd0) от относительной ширины ворот, соединяющих [1] L.V. Asryan, R.A. Suris. Semicond. Sci. Techn., 11, террасы (d/d0).

(1996).

[2] I.N. Stranski, L.Von Krastanow. Akad. Wiss. Lit. Mainz Abh.

Math. Maturwiss. Kl. Lib., 146, 797 (1939).

[3] D. Leonard, K. Pond, P.M. Petroff. Phys. Rev. B, 50, между ними может привести к поглощению точки с (1994).

меньшим радиусом, т. е. к коалесценции. Поскольку в [4] G.S. Solomon, J.A. Trezza, J.S. Harris. Appl. Phys. Lett., 66, нашем случае потенциальные барьеры на краях террас 991 (1995).

[5] J.M. Moison, F. Hoozay, F. Barthe, L. Leprince, E. Andre, препятствуют перескоку адатомов с террасы на террасу, O. Vatel. Appl. Phys. Lett., 64, 196 (1994).

мы рассматривали коалесценцию соседних КТ только [6] G.S. Solomon, J.A. Trezza, J.S. Harris. Appl. Phys. Lett., 66, за счет движения адатомов через ворота, соединяющие 3161 (1995).

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.