WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 7 Оптические и структурные свойства массивов квантовых точек InAs, осажденных в матрицу InxGa1-xAs на подложке GaAs © Н.В. Крыжановская¶, А.Г. Гладышев, С.А. Блохин, Ю.Г. Мусихин, А.Е. Жуков, М.В. Максимов, Н.Д. Захаров, А.Ф. Цацульников, Н.Н. Леденцов, P. Werner, F. Guffart, D. Bimberg Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Max-Plank Institut fr Mikrostructurphysik, Halle, Deutschland Institut fr Festkrperphysik, Technische Universitt Berlin, Deutschland (Получена 15 января 2004 г. Принята к печати 19 января 2004 г.) Исследованы структурные и оптические свойства квантовых точек InAs, осажденных на поверхности толстого метаморфного слоя InGaAs, выращенного на подложке GaAs. Показано, что плотность квантовых точек и их латеральный размер увеличиваются по сравнению со случаем роста непосредственно на подложке GaAs. Увеличение концентрации индия в слое InGaAs приводит к сдвигу линии фотолюминесценции в сторону больших длин волн и при концентрации индия в метаморфном слое 30 ат% длина волны максимума линии фотолюминесценции составляет 1.55 мкм. Исследования электронного спектра квантовых точек методом спектроскопии возбуждения фотолюминесценции позволяют сделать вывод об уменьшении разности энергий между подуровнями носителей заряда в квантовых точках при увеличении концентрации индия в матрице InGaAs.

1. Введение играет роль материала подложки, на которой осуществляется дальнейший рост, причем концентрацию инИсследование влияния материала подложки на осо- дия в таком слое можно варьировать в достаточно бенности формирования квантовых точек в режиме ро- широких пределах. Используя указанный метод, в раста Странского–Крастанова является в настоящее время боте [4] была продемонстрирована генерация на длине одной из наиболее интересных и важных задач в области волны 1.52 мкм в лазере на основе квантовых точек, технологии полупроводников. Несмотря на достигнутый выращенных на толстом метаморфном слое In0.2Ga0.8As прогресс в экспериментальных [1] и теоретических [2] на подложке GaAs. В данной работе представлены исследованиях физики формирования точек методом результаты детального исследования влияния состава самоорганизации, зависимости плотности, латерального слоя Inx Ga1-xAs (0 x 0.30), на котором выращиваразмера, высоты и формы квантовых точек от параметра ются квантовые точки InAs, на их плотность, размер, решетки и поверхностной энергии материала подложки форму, а также спектр энергетических состояний.

остаются недостаточно изученными. Экспериментальное исследование таких процессов в значительной степени 2. Методика эксперимента затрудняется наличием только определенных типов подложек. Так, например, использование подложек InGaAs Все структуры были выращены методом молекулярнодля роста структур в системе InGaAs–InGaAlAs не пучковой эпитаксии в установке Riber 32P с твердополучило к настоящему времени широкого распрострательным источником As на подложках n-GaAs(100).

нения. Кроме того, для систематических экспериментов Сначала при температуре 400C выращивался переходподобного рода потребовались бы подложки InGaAs с ный буферный слой Inx Ga1-xAs (x = 0-0.30) толщиразличным составом по индию.

ной 0.5 мкм, предназначенный для перехода от постоНедавно нами показана возможность выращивания янной решетки GaAs к постоянной решетки InGaAs.

толстых слоев InGaAs на подложках GaAs, имеюПосле этого температура роста повышалась до 500C щих достаточно высокое кристаллическое и оптии выращивалась активная часть структуры, представляческое качество [3–6]. Для перехода от постоянющая собой слой InxGa1-x As толщиной 0.2 мкм (даной решетки подложки GaAs к постоянной решетлее — матрица), ограниченный с двух сторон сверхки слоя Inx Ga1-x As между ними осаждался метаморрешетками In0.2Ga0.8As/In0.2Al0.8As, служащими для ный буферный слой Inx Ga1-xAs. При росте буфернопредотвращения утечки носителей заряда на поверхго слоя Inx Ga1-x As применялась техника уменьшения ность и в буферный слой. Квантовые точки находиплотности дислокаций, описанная в работе [7], благодаря лись в середине слоя Inx Ga1-x As и выращивались в которой удалось обеспечить достаточно низкую плотследующей ростовой последовательности: сначала пуность прорастающих дислокаций в оптически активной тем осаждения 2.6 монослоев (МС) InAs формироваобласти и высокую планарность всех гетероинтерфейлись начальные островки, которые затем заращивались сов. Таким образом, ненапряженный слой Inx Ga1-xAs слоем Iny Ga1-yAs (y = x + 0.2) эффективной толщи¶ E-mail: kryj@mail.ioffe.ru ной 5 нм.

7 868 Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев, С.А. Блохин, Ю.Г. Мусихин, А.Е. Жуков, М.В. Максимов...

Исследования методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) дифракционного контраста были выполнены с использованием микроскопа Philips CM при ускоряющем напряжении 100 кВ. Изображения структуры были получены в темном поле в отражении типа (200), направленном параллельно ростовой поверхности.

Исследования образцов методом ПЭМ высокого разрешения были выполнены на микроскопе JEM 4010 при ускоряющем напряжении 400 кВ. Анализ полученных изображений был проведен на основе фурье-фильтрации.

Для построения изображений использовались отражения типа (200) и прошедший пучок.

Фотолюминесценция (ФЛ) структур возбуждалась Ar+-лазером (W = 1500 Вт/см2, = 514 нм) и исследоРис. 2. Изображения ПЭМ высокого разрешения, полученные валась в температурном диапазоне 10–300 K. Исслев геометрии поперечного сечения квантовых точек для струкдования спектров возбуждения люминесценции (СВЛ) тур с матрицами: a —GaAs, b —In0.2Ga0.8As.

проводились при возбуждении светом галогеновой лампы накаливания, пропущенным через монохроматор.

Детектирование сигнала производилось с помощью моэлектронов при отражении, наблюдаемой в процессе нохроматора и охлаждаемого германиевого диода.

роста структуры, начало формирования КТ (переход к трехмерному росту) в случае матрицы GaAs про3. Результаты и их обсуждение исходит после осаждения InAs эффективной толщиной 1.7 МС, а в случае матрицы In0.2Ga0.8As — после На рис. 1 представлены изображения массивов кваносаждения 1.5 МС, т. е. на образование КТ в последнем товых точек (КТ), выращенных на поверхности GaAs случае уходит больше материала. Можно предположить, (рис. 1, a) и In0.2Ga0.8As (рис. 1, b), полученные методом что как активированный распад Inx Ga1-xAs с большим просвечивающей электронной микроскопии. Как видно содержанием InAs (x = 0.4) при заращивании, так и из рисунков, поверхностная плотность точек в случае возможная сегрегация In на поверхности буферного роста на слое In0.2Ga0.8As существенно выше, чем в слуслоя Inx Ga1-xAs также могут быть ответственны за чае осаждения КТ на GaAs. Такой эффект увеличения увеличение плотности КТ и их латерального размера.

плотности КТ при сохранении постоянного разброса по При изменении материала матрицы с GaAs размерам является желательным и позволяет достичь на Inx Ga1-xAs происходит сдвиг максимума линии ФЛ, большего коэффициента усиления на основном состоясоответствующей излучению основного состояния КТ нии в лазерах на КТ [8].

(обозначен звездочкой на спектрах) в сторону больших Данные ПЭМ высокого разрешения (рис. 2, a, b) длин волн (рис. 3). При содержании InAs в материале показали, что выращивание КТ на метаморфном матрицы, равном 30%, максимум спектра ФЛ находится слое Inx Ga1-x As приводит также к увеличению латепри длине волны 1.55 мкм. Данный сдвиг линии ФЛ КТ в рального размера островков при сохранении их высоты область меньших энергий фотона может быть обусловпостоянной. Латеральный размер точек составляет в лен несколькими причинами. Во-первых, уменьшение случае матрицы GaAs (рис. 2, a) 19 нм, а в случае напряжений сжатия в КТ при изменении материала матрицы In0.2Ga0.8As —26 нм (рис. 2, b). Необходимо матрицы понижает энергию дна зоны проводимости.

отметить, что, согласно картине дифракции быстрых Во-вторых, увеличение латерального размера квантовых точек также приводит к заглублению уровней размерного квантования. Кроме того, при увеличении содержания InAs в материале матрицы происходит уменьшение ширины ее запрещенной зоны и, как следствие, уменьшение проникновения волновых функций носителей заряда в потенциальный барьер, в результате уровни носителей заряда КТ заглубляются. Наличие при заращивании КТ напряженного слоя Inx Ga1-x As с большим значением x (содержащего напряжения растяжения в вертикальном направлении и обладающего пониженной упругостью) также приводит к уменьшению полей напряжений в КТ Рис. 1. Изображения квантовых точек, полученные методом InAs и заглублению уровней. Все эти эффекты могут ПЭМ в планарной геометрии для структур с матрицами:

a —GaAs, b —In0.2Ga0.8As. давать вклад в длинноволновый сдвиг линии ФЛ [9].

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Оптические и структурные свойства массивов квантовых точек InAs, осажденных в матрицу... использованным для заращивания начальных островков.

Пик при энергии 1.185 эВ соответствует излучению из матрицы In0.2Ga0.8As. Вследствие неоднородного уширения ансамбля квантовых точек точное определение энергий максимумов на спектре ФЛ затруднено. Более детальное определение энергий оптических переходов возможно при помощи спектроскопии возбуждения люминесценции, позволяющей исследовать процессы релаксации и рекомбинации в квантовых точках, имеющих определенную энергию основного состояния (точнее, ансамбля точек, энергии основных состояний которых находятся в пределах спектрального разрешения оптической системы — обычно несколько мэВ). Поскольку при низких температурах латеральный транспорт между КТ отсутствует, спектры возбуждения люминесценции (СВЛ), снятые по контуру линии ФЛ, позволяют определить энергетический спектр КТ с различными энергиями основного состояния, т. е. для точек разного размера.

На рис. 4 представлены СВЛ, снятые при температуре T = 10 K и при различных энергиях детектирования EDET = 0.94, 0.96 и 0.985 эВ (энергии детектирования обозначены стрелками). На приведенных СВЛ наблюдаются максимумы, соответствующие поглощению в матрице InGaAs, поглощению в квантовой яме, образованной смачивающим слоем и заращивающим слоем Iny Ga1-y As (обозначено WL на рис. 4), и на возбужденных состояниях (обозначено SES и FES на рис. 4).

Сложная структура максимумов возбужденных состояний может быть объяснена исходя из следующих соображений. Как было теоретически показано в работе [12], Рис. 3. Нормированные спектры фотолюминесценции от в квантовых точках InAs–GaAs пирамидальной формы квантовых точек InAs, осажденных на слои Inx Ga1-x As с достаточно большого размера существуют несколько различным содержанием InAs (x).

электронных и дырочных уровней. Также известно, что вырождение уровней в квантовых точках пирамидальной При содержании InAs в материале матрицы менее 20% нами не наблюдалось падения интегральной эффективности ФЛ вплоть до высоких плотностей возбуждения, что согласуется с локализацией прорастающих дислокаций в буферном слое. При увеличении содержания InAs в материале матрицы выше 25% наблюдается падение интенсивности ФЛ, что связано как с частичным проникновением остаточных дислокаций из буферного слоя в верхние слои, так и с образованием дислоцированных КТ в процессе заращивания начальных островков слоем InGaAs с достаточно высоким (> 45%) содержанием In [10,11]. Оба эффекта наблюдаются в изображениях структур, полученных просвечивающей электронной микроскопией.

На спектре ФЛ образца с квантовыми точками в Рис. 4. Спектр фотолюминесценции квантовых точек InAs, матрице In0.2Ga0.8As, снятом при большой плотности осажденных на слой In0.2Ga0.8As, полученный при возбуждевозбуждения (рис. 4, штриховая линия), можно видеть нии Ar-лазером (1.5 кВт/см2) — штриховая линия; спектры линии, соответствующие основному и возбужденным возбуждения фотолюминесценции, полученные при энергиях состояниям, а также линию ФЛ квантовой ямы, обдетектирования EDET, эВ: 0.94, 0.96 и 0.985 эВ — сплошные разованной смачивающим слоем и слоем In0.4Ga0.6As, линии.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 870 Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев, С.А. Блохин, Ю.Г. Мусихин, А.Е. Жуков, М.В. Максимов...

детектирования на 35 мэВ, что соответствует энергии LO-фонона в системе InAs–GaAs.

На рис. 5 приведены энергии положений максимумов СВЛ, сдвинутые для удобства восприятия на энергию детектирования, для КТ в матрицах In0.25Ga0.75As, In0.2Ga0.8As и GaAs. Во всех случаях детектирование СВЛ производилось при энергии максимума спектра ФЛ, соответствующего переходам с основного состояния КТ. Видно, что в случае КТ, осажденных на слои InGaAs, при увеличении содержания In происходит уменьшение энергии локализации носителей заряда, определяемой нами как разница ширины запрещенной зоны матрицы и энергии оптического перехода с основного состояния в КТ. Кроме того, происходит уменьшение разности между энергиями возбужденных состояний и основного состояния. Данный факт можно объясРис. 5. Энергии положений максимумов спектров возбужденить тем, что при увеличении латерального размера ния фотолюминесценции, из которых для удобства восприятия КТ уменьшается разность энергий между подуровнями вычтено значение энергии детектирования EDET, для квантоэлектронов (дырок) в КТ, а число подуровней, повых точек в матрицах: 1 — In0.25Ga0.8As, 2 — In0.2Ga0.8As, видимому, возрастает [15].

3 —GaAs.

4. Заключение формы с квадратным основанием полностью снимается за счет кулоновского взаимодействия и пьезоэлектриИсследованы структурные и оптические свойства ческого эффекта [12]. Поэтому в энергетическом спекквантовых точек InAs в матрице Inx Ga1-xAs тре точек имеется большое количество уровней, хотя (0 x 0.3). Данные точки формировались на повероятности оптических переходов между некоторыми верхности толстого метаморфного слоя Inx Ga1-xAs, из них могут быть достаточно малыми (частично завыращенного на подложке GaAs. Концентрация прещенные переходы). В результате при рассмотрении квантовых точек и их латеральный размер при росте свойств ансамбля квантовых точек оптические перена метаморфном буферном слое InGaAs выше, чем при ходы в них с близкими энергиями могут вести себя росте на GaAs. Высота точек остается приблизительно как один „эффективный переход“ и линия поглощения постоянной. В зависимости от состава материала такого „эффективного возбужденного состояния“ будет матрицы длину волны максимума спектра излучения являться суперпозицией неоднородно уширенных линий квантовых точек можно контролируемым образом переходов с участием возбужденных состояний, имеюизменять от 1.3 мкм (x = 0) до 1.55 мкм (x = 0.3) при щих близкие энергии.

сохранении высокой эффективности люминесценции.

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.