WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 7 GaAs в GaSb — напряженные наноструктуры для оптоэлектроники среднего инфракрасного диапазона ¶ © В.А. Соловьев, А.А. Торопов, Б.Я. Мельцер, Я.В. Терентьев, Р.Н. Кютт, А.А. Ситникова, † А.Н. Семенов, С.В. Иванов, Motlan, E.M. Goldys†, П.С. Копьев Физико-технический инстут им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет „ЛЭТИ“, 197376 Санкт-Петербург, Россия † Division on Information and Communication Sciences, Macquarie University, North Ryde, NSW 2109, Australia (Получена 11 декабря 2001 г. Принята к печати 18 декабря 2001 г.) Впервые сообщается о получении методом молекулярно-пучковой эпитаксии нового типа гетероструктур GaAs/GaSb, содержащих ультратонкие (0.8-3 монослоя) слои GaAs в GaSb, и исследовании их методами рентгеновской дифрактометрии, просвечивающей электронной микроскопии и фотолюминесценции. В таких структурах, в отличие от изученных к настоящему времени структур с самоорганизующимися квантовыми точками, слой GaAs в GaSb находится под воздействием растягивающих упругих напряжений (рассогласование решеток 7%). В структурах GaAs/GaSb обнаружена интенсивная фотолюминесценция в области волн вблизи 2 мкм при низких температурах. Показано образование квантово-размерных островков при номинальной толщине слоя GaAs 1.5 монослоя и более. Установлено, что предложенные структуры имеют зонную диаграмму типа II.

1. Введение процессами [7]. В данной статье мы впервые сообщаем о получении нового типа решеточно-рассогласованных Значительный интерес к гетероструктурам с кванто- гетероструктур типа II GaAs/GaSb, характеризующихся выми точками (КТ) обусловлен, с одной стороны, уни- интенсивной фотолюминесценцией (ФЛ) в спектральном кальностью их фундаментальных свойств, а с другой — диапазоне 1.7-2.3мкм.

возможностью применения в оптоэлектронике, в частности, для создания низкопороговых полупроводниковых 2. Образцы лазеров [1]. К настоящему времени процессы самоорганизации квантовых точек неплохо изучены для целого Образцы представляли собой ультратонкие слои ряда полупроводниковых гетеропар с большим (вплоть GaAs, выращенные псевдоморфно в матрице GaSb методо 7%) рассогласованием параметров решеток, включая дом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). Толщина InAs/GaAs [2], (Ga,In,Al)Sb/GaAs [3,4], InAs/InP [5] и слоев GaAs варьировалась от 1 до 3 монослоев (МС), InP/InGaP [6]. При этом в разных системах возможно т. е. находилась в диапазоне толщин, типичных для форформирование гетеропереходов со структурой зон как мирования самоорганизующихся КТ за счет 7%-го растипа I [2,5,6], так и типа II [3,4]. Общей особенностью согласования параметров решеток GaAs и GaSb [3]. В отвсех перечисленных гетероструктур является то, что личие от ранее изученных систем с КТ, в данном случае тонкий слой узкозонного полупроводника, помещенный слой более широкозонного полупроводника (GaAs, пов матрицу относительно широкозонного материала с стоянная решетки a = 5.6532, ширина запрещенной меньшим параметром решетки, испытывает сжимающие зоны Eg = 1.52 эВ), вставленный в матрицу из узконапряжения. Длина волны генерации лазеров на основе зонного материала (GaSb, a = 6.0959, Eg = 0.81 эВ), таких материалов не может превышать длину волны, оказывается подверженным растягивающим напряженисоответствующую краю поглощения широкозонной матям. Таким образом, предложенные структуры могут рицы (GaAs или InGaP) и во всех случаях оказывабыть использованы в качестве модельных структур для ется менее 1.55 мкм. Таким образом, важной задачей экспериментального исследования процессов роста тонявляется расширение диапазона длин волн излучения кого слоя с деформациями растяжения в методе МПЭ, лазерных гетероструктур с КТ в область 2 мкм и более.

тем более что формирование самоорганизующихся КТ Заметим, что существенное подавление каналов ожев обращенной системе (тонкий слой GaSb в матрице рекомбинации в гетероструктурах с КТ типа II делает GaAs) достаточно хорошо изучено [3,4]. Следует также их особенно перспективными для использования в лазеотметить, что в известной нам литературе есть лишь рах среднего инфракрасного (ИК) диапазона (2-5мкм), одна работа по исследованию излучательных свойств где традиционные типы гетеролазеров имеют сущеблизких структур, опубликованная недавно [8], в котоственные ограничения, обусловленные сильными ожерой авторы наблюдали интенсивную люминесценцию из ¶ E-mail: vasol@beam.ioffe.rssi.ru слоев AlAs монослойной толщины в AlSb.

870 В.А. Соловьев, А.А. Торопов, Б.Я. Мельцер, Я.В. Терентьев, Р.Н. Кютт, А.А. Ситникова...

Образцы, содержащие одиночные слои GaAs в GaSb или сверхрешетки (СР, SL) GaAs/GaSb, были выращены на подложках GaSb (001) при температуре 520C.

Установка для МПЭ Riber 32 была оборудована стандартными эффузионными ячейками, обеспечивающими молекулярные потоки Ga, Al и As4, в то время как для получения потока Sb2 был использован крекинговый источник RB-075-Sb. Структуры содержали буферный слой GaSb толщиной 0.5 мкм, а также ограниченный с двух сторон тонкими (30 нм) Al0.5Ga0.5Sb-барьерами слой GaSb толщиной 0.3 мкм, в центре которого располагались либо одиночные слои GaAs разной толщины, либо СР. Наблюдение за состоянием поверхности образца на всех стадиях роста осуществлялось с использованием системы дифракции быстрых электронов Рис. 1. Экспериментальная (сплошная линия) и расчетная (ДБЭ). Во время роста ультратонких слоев GaAs в (штриховая) двухкристальные (-2)-кривые качания вблизи ДБЭ наблюдалась картина поверхностной реконструкрефлекса (004) GaSb для структуры, содержащей десятипеции (2 4), соответствующая As-стабилизированной риодную сверхрешетку GaAs(1.2 MC) / GaSb(4нм). Расчетная поверхности. При этом для исключения перемешивания кривая получена в предположении гауссова распределения потоков мышьяка и сурьмы до и после роста слоев GaAs атомов мышьяка в направлении роста с полушириной этого распределения 4.5 МС.

делались паузы длительностью 10 с. Время роста слоев GaAs варьировалось от 2 до 5 с для различных структур, что соответствовало толщине слоя 1.2-3 МС. Часть структур была выращена без вращения подложкодердифракции, можно предположить, что СР содержит слои жателя, чтобы обеспечить плавное изменение толщины трехкомпонентного твердого раствора GaAsSb, возможслоя GaAs по площади структуры. Десятипериодная СР, но, неоднородные по площади вследствие нанометровых содержащая слои GaAs толщиной 1.2 МС и слои GaSb флуктуаций состава или толщины.

толщиной 4 нм, была выращена в тех же условиях, что и структуры с отдельными слоями GaAs. Ряд структур с одиночными слоями GaAs был изучен методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) в геометрии поперечного сечения на установке 3. Структурные и оптические Philips EM-420 с ускоряющим напряжением 100 кэВ.

исследования Известно, что дифракционные рефлексы (200) чувствительны к изменению химического состава материалов Структура, включающая СР, исследовалась метос кубической гранецентрированной решеткой и могут дом высокоразрешающей рентгеновской дифракции. На эффективно использоваться для визуализации пространрис. 1 представлена (-2)-кривая качания, измеренная ственных флуктуаций состава [11]. На рис. 2 предс использованием рефлекса (004). На кривой качания ставлены темнопольные ПЭМ-изображения образцов со хорошо различимы как рефлекс нулевого порядка от СР, слоями GaAs различной толщины в матрице GaSb. Все так и сателлиты высших порядков. Оценка периода СР изображения были получены в одинаковых условиях.

и номинальной толщины слоев GaAs, проведенная на На всех изображениях слои GaAs присутствуют в виде основе положения этих пиков, дает величины 4.3 нм темных линий. На рис. 2 отчетливо видна трансфори 1.2 МС соответственно, которые совпадают с техномация морфологии GaAs-вставки с увеличением толлогически заданными значениями. Кроме того, путем щины. Изображение вставки толщиной менее 0.8 МС подгонки расчетной кривой качания к экспериментальвыглядит как темная линия без каких-либо заметных ной (рис. 1) можно получить оценку величины среднего следов кластеризации (рис. 2, a). С увеличением номиуширения толщины слоя вдоль направления роста, обунальной толщины слоя GaAs на ПЭМ-изображении пословленного эффектами взаимодиффузии или сегрегаявляются двумерные островки, окруженные достаточно ции сурьмы в процессе МПЭ [9]. Теоретическое моделисильными полями напряжений (рис. 2, b). Размеры этих рование кривых качания при подгонке осуществлялось в островков заметно увеличиваются в направлении роста рамках полукинематического приближения, описанного (о чем свидетельствует увеличение темного гало вблиранее [10]. Определенная таким образом величина средзи островков) при дальнейшем увеличении толщины него уширения слоев GaAs в исследуемой структуре GaAs-вставки, свидетельствуя о начале процесса формисоставляла 4–5 МС. Полученный результат позволяет исключить как формирование квантовых ям (КЯ) с иде- рования трехмерных КТ при толщине вставки 1.5МС альными резкими границами, так и образование массива (рис. 2, c). Наконец, на рис. 2, d видны протяженные детрехмерных КТ. Скорее, исходя из данных рентгеновской фекты вблизи некоторых островков, что свидетельствует Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. GaAs в GaSb — напряженные наноструктуры для оптоэлектроники среднего инфракрасного... Рис. 2. ПЭМ-изображения поперечных сечений структур, содержащих одиночные слои GaAs с номинальной толщиной: 0.8 МС (a), 1.2 МС (b), 1.5 МС(c), 2 МС(d).

о начале процесса релаксации упругих напряжений в до 3.5 МС пик сдвигается в длинноволновую сторону структуре с толщиной слоя GaAs 2МС. от 1.7 до 2.3 мкм. При этом пик уширяется, а его интенсивность в максимуме значительно снижается. Мы В исследованных структурах была обнаружена интенполагаем, что наблюдаемое уширение пика ФЛ обусловсивная фотолюминесценция (ФЛ) при низких температурах. Исследования ФЛ проводились в диапазоне температур 8-300 K с применением гелиевого криостата замкнутого типа или азотного криостата. Для возбуждения ФЛ использовались непрерывные инжекционные лазеры с длиной волны излучения 0.8 и 1.3 мкм.

На рис. 3 приведены спектры ФЛ для структур с одиночными слоями GaAs разной толщины, измеренные при температуре 80 K и относительно низком уровне возбуждения, 1Вт/см2. На всех спектрах наблюдается два относительно узких коротковолновых пика, представляющих собой ФЛ из буферного слоя GaSb. Один из них, с энергией фотона 0.8 эВ, обусловлен межзонными излучательными переходами, в то время как пик с энергией фотона 0.775 эВ соответствует переходам между донором и глубоким собственным акцептором в GaSb.

В спектрах присутствует еще один пик, положение макРис. 3. Спектры фотолюминесценции при температуре 80 K симума которого коррелирует с толщиной GaAs-вставки.

и низком уровне возбуждения для структур, содержащих Следует отметить хорошее соответствие между данными отдельные слои GaAs с номинальной толщиной: 1.2 МС (a), ФЛ и ПЭМ. С увеличением толщины вставки от 1.2 1.8 МС (b), 3 МС(c).

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 872 В.А. Соловьев, А.А. Торопов, Б.Я. Мельцер, Я.В. Терентьев, Р.Н. Кютт, А.А. Ситникова...

фект заключается в длинноволновом сдвиге спектра ФЛ, обусловленном нагревом образца, что подтверждается аналогичным сдвигом пиков, соответствующих объемному GaSb. Кроме того, при достаточно больших уровнях накачки появляется дополнительный пик, перекрывающийся с основным пиком и находящийся по отношению к нему выше по энергии на 25-30 мэВ. Аналогичное поведение спектра ФЛ наблюдалось также и в образце со СР, но различие в энергиях пиков было меньше ( 15 мэВ). Заметим, что возбуждение второй полосы ФЛ связано с повышением мощности накачки, а не с сопутствующим повышением температуры образца, что становится очевидным при сравнении верхней кривой Рис. 4. Схематическое изображение зонной диаграммы струкФЛ рис. 5 с соответствующей спектральной кривой туры с КЯ GaAs/GaSb и возможных оптических переходов в рис. 3, измеренной в том же образце при практически ней. lh — легкие дырки, hh — тяжелые дырки.

той же температуре, но при слабом уровне возбуждения.

Мы полагаем, что наличие в спектрах ФЛ двух полос люминесценции связано с пространственными неоднолено флуктуациями размеров КТ, наблюдаемых методом родностями в плоскости роста слоя GaAsSb. Нижний по ПЭМ в образцах с толщинами GaAs, превышающими энергии пик ФЛ обусловлен рекомбинацией носителей, 1.5 МС (рис. 2, c). Интегральная интенсивность пика ФЛ локализованных в обогащенных мышьяком квантовослабо изменяется вплоть до величины номинальной толразмерных островках, в то время как ФЛ при больших щины GaAs-вставки 2 МС, а затем резко уменьшается энергиях связана с рекомбинацией неравновесных носис дальнейшим увеличением толщины, что, вероятно, телей, находящихся в окружающем островки слое. Во обусловлено повышением плотности дислокаций (см.

многих аспектах этот слой похож на смачивающий слой, рис. 2, d), являющихся эффективными центрами безызнаблюдающийся в большинстве изученных к настоящелучательной рекомбинации.

му времени систем с самоорганизующимися КТ. Однако, Следует отметить, что для всех исследованных струкв отличие от них, в данном случае перенос носителей тур энергия излученного фотона оказывается значительиз смачивающего слоя к местам локализации носителей но меньше ширины запрещенной зоны GaSb, что свидепроисходит достаточно быстро, чтобы не позволить тельствует о типе II гетеропереходов GaAs/GaSb. Для наблюдение стационарной ФЛ из смачивающего слоя оценки разрывов зон на границе мы воспользовались при относительно малых уровнях возбуждения.

моделью van der Walle [12], позволяющей учесть влияние упругих напряжений на зонную структуру. Результаты расчетов, проведенных для случая псевдоморфного двумерного роста, а также возможные оптические переходы в исследуемой структуре представлены на рис. 4. Сильные растягивающие напряжения, вызванные 7%-м рассогласованием решеток GaAs и GaSb, приводят к сжатию запрещенной зоны GaAs до величины 0.4 эВ, заметно меньшей значения запрещенной зоны окружающего GaSb. Тем не менее зонная диаграмма оказывается типа II, причем в равновесии электроны находятся в GaAs, а дырки — в GaSb.

Несмотря на то что основные закономерности формирования квантовых точек в рассматриваемой системе и в ранее исследованных системах представляются схожими, есть и различия. Обычно в спектрах ФЛ структур с самоорганизующимися КТ помимо пика, связанного с массивом КТ, наблюдается еще один пик, обусловленный излучением из так называемого смачивающего слоя.

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.