WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 7 Управление параметрами массивов квантовых точек InAs–GaAs в режиме роста Странского–Крастанова ¶ © Н.А. Черкашин, М.В. Максимов, А.Г. Макаров, В.А. Щукин, В.М. Устинов, Н.В. Луковская, Ю.Г. Мусихин, Г.Э. Цырлин, Н.А. Берт, Ж.И. Алфёров, Н.Н. Леденцов, Д. Бимберг Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Технический университет Берлина, Берлин D-10623, Германия (Получена 22 октября 2002 г. Принята к печати 28 октября 2002 г.) Исследовалось влияние температуры роста на плотность, латеральный размер и высоту квантовых точек InAs-GaAs по данным просвечивающей электронной микроскопии. С увеличением температуры роста от 450 до 520C наблюдается уменьшение плотности квантовых точек, а также увеличение их латерального размера и уменьшение высоты, т. е. точки приобретают более плоскую форму. Коротковолновый сдвиг линии фотолюминесценции свидетельствует об уменьшении объема квантовых точек. Наблюдаемые закономерности находятся в согласии с выводами термодинамической теории роста. Исследовалось также влияние понижения температуры подложки непосредственно после формирования квантовых точек на их параметры. При понижении температуры происходит уменьшение латерального размера точек и увеличение их плотности, т. е. массивы квантовых точек стремятся приобрести равновесные параметры, соответствующие температуре, до которой осуществляется охлаждение. Высота квантовых точек при охлаждении увеличивается очень быстро, и при конечном времени охлаждения может превышать равновесное значение, что открывает возможности для создания массивов квантовых точек с требуемым отношением высоты к латеральному размеру путем выбора времени охлаждения.

1. Введение использовать массив квантовых точек в качестве активной области полупроводниковых приборов, данный Широкое использование в современной полупроводэффект накладывает серьезные ограничения на возможниковой электронике структур с локализацией носитеность управления формой и размерами островков и солей в одном направлении — квантовых ям — в знаответственно их зонной диаграммой. Для преодоления чительной степени связано с простотой в управлении этих ограничений был предложен ряд технологических их зонной диаграммой (2D bandgap engineering) за счет методов, таких как формирование вертикально-связанизменения ширины и состава квантовой ямы, а также ных квантовых точек [2], осаждение начального слоя КТ ширины запрещенной зоны матрицы. Были предложеInAlAs, задающих плотность последующих слоев КТ ны и реализованы такие сложные, требующие строго InGaAs (стрессерного слоя) [3], активированный распад определенной зонной структуры приборы, как каскадные твердого раствора [4]. Данные технологические подходы лазеры. Поскольку дальнейший прогресс в области попозволили достичь существенного прогресса в вопролупроводниковой электроники связывается с широким се управления параметрами массива квантовых точек.

применением структур с локализацией носителей в трех Необходимо отметить, что во всех перечисленных метоизмерениях — квантовых точек (КТ), то разработка дах на первом этапе формируется слой начальных точек, методов управления зонной диаграммой таких структур определяющий последующий рост за счет создаваемых представляется важной фундаментальной и прикладной им полей упругих напряжений. Таким образом, управлезадачей.

ние формой, размерами и плотностью точек в режиме Недавний прорыв в технологии, физике и приборных Странского–Крастанова могло бы дать дополнительную применениях квантовых точек связан с использованием гибкость при использовании более сложных технологипроцессов самоорганизации в процессе эпитаксиального ческих методов. В данной работе мы исследуем влияние роста. Было экспериментально и теоретически показано, температурных режимов роста на высоту, латеральный что при гетероэпитаксиальном росте напряженных слоразмер, плотность массивов квантовых точек InAs–GaAs ев на поверхности может формироваться массив упругои показываем, что изменение температуры после осанапряженных островков, упорядоченных по форме и разждения точек позволяет контролируемым образом измемеру [1]. В настоящее время наиболее изученной, а такнять их параметры.

же чрезвычайно важной с точки зрения приборных приложений является система InAs–GaAs, где квантовые точки формируются в соответствии с механизмом роста 2. Эксперимент Странского–Крастанова. Несмотря на то что явление упорядочения явилось решающим фактом, позволившим Исследуемые структуры были выращены методом ¶ молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) на полуизолиE-mail: maximov@beam.ioffe.ru Fax: (812) 2473178 рующих подложках GaAs (100). После снятия окисла Управление параметрами массивов квантовых точек InAs–GaAs в режиме роста... с подложки на ней выращивался буферный слой GaAs при температуре подложки Ts = 600C. На поверхности буферного слоя для предотвращения диффузии неравновесных носителей в подложку была выращена сверхрешетка GaAs / Al0.25Ga0.75As (20 / 20 ) из 6 периодов.

Затем выращивался слой GaAs толщиной 0.1 мкм, после чего температура подложки понижалась до температуры осаждения квантовых точек. Далее осаждалось 3 монослоя InAs при следующих температурах: 520, 500, 470, 450, 420C. Образование островков начиналось примерно с 1.7 монослоя InAs. Заращивание образовавшегося слоя с КТ слоем GaAs толщиной 100 после 10-секундного прерывания процесса роста осуществлялось при той же температуре, при которой осаждался InAs. Применение прерывания роста на 10 с было необходимо с целью повышения однородности массивов островков по размерам [5]. Затем температура подложки повышалась до Ts = 600C и последовательно выращивались слой GaAs толщиной 400, аналогичная нижней сверхрешетка и покрывающий слой GaAs.

Другая часть образцов была выращена с понижением температуры подложки после осаждения квантовых точек. Применялись режимы, в которых температура опускалась в течение 120 с: с 520 до 420C; с до 450C; с 470 до 420C. Заращивание квантовых точек слоем GaAs осуществлялось при конечной температуре.

Для возбуждения фотолюминесценции (ФЛ) использовался Ar+-лазер (длина волны излучения = 514.5нм, плотность мощности 500 Вт / см2). Для регистрации ФЛ использовались монохроматор МДР-23 и германиевый p-i-n-фотодиод North Coast E0 / 817R. Исследования методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) были выполнены с использованием микроскопа Philips EM 420 при ускоряющем напряжении 100 кВ.

Образцы приготавливались в планарной (001) и поперечных (110) и (010) геометриях, с использованием стандартной технологии утоньшения, т. е. шлифовки, полировки и конечного распыления материала ионами Ar+ под скользящими углами к поверхности.

Рис. 1. Зависимость среднего латерального размера l (a), средней высоты h (b) и средней плотности N (c) КТ от температуры подложки Ts. 1 — структуры, выращенные при 3. Влияние температуры роста постоянной температуре подложки; для структур, выращенных на параметры массивов квантовых с понижением температуры подложки непосредственно после точек осаждения КТ, указаны температура роста и температура, до которой осуществлялось охлаждение.

На рис. 1 представлены зависимости от температуры среднего латерального размера l (a), средней высоты h (b), а также плотности N (c) КТ. Данные завииз ПЭМ-изображений, очень чувствительны к условиям симости были получены из анализа электронно-микроскопических изображений; типичные изображения при- получения изображения и к толщине пленки. Таким ведены на рис. 2. Как видно из рис. 1, увеличение тем- образом, данные, показанные на рис. 1, свидетельствуют пературы подложки от 420 до 520C приводит к увели- лишь об общей тенденции при сравнимых условиях получения изображения. Необходимо также отметить, чению латерального размера и уменьшению плотности что в то время как плотность и средний латеральный КТ. Высота КТ в зависимости от Ts ведет себя более сложно: при 420C она равна 4 нм, в диапазоне 450 размер оценивались из анализа изображений в пладо 500C падает с 7 до 4.5 нм и при 520C она нарной геометрии, содержащих несколько сотен КТ, составляет 5 нм. Следует заметить, что значения ла- их высота определялась по нескольким изображениям терального размера островка и его высоты, получаемые в поперечном сечении, содержащим на порядок меньшее Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 892 Н.А. Черкашин, М.В. Максимов, А.Г. Макаров, В.А. Щукин, В.М. Устинов, Н.В. Луковская...

равновесных поверхностных структур. Согласно термодинамической модели, эффекты, связанные с энтропией, делают более выгодным меньший объем островков при более высоких температурах [14]. Для плоских двумерных островков с фиксированной высотой и различными латеральными размерами теория дает приблизительное поведение объема островка V в зависимости от температуры Ts в следующем виде:

Ts V (Ts) V (0) 1 -, (1) 2Ts ch где характерная температура Ts ch зависит от объема островка и имеет величину > 800 K (> 530C) для островков, состоящих из более 1000 атомов. Наблюдаемое уменьшение среднего объема островков с увеРис. 2. Изображения структур, выращенных при температурах личением температуры подчеркивает роль эффектов, 450C (a), 500C (b), при охлаждении в течение 120 с от связанных с энтропией, и, таким образом, согласуется до 450C (c). Слева — планарная геометрия, изображения с термодинамической моделью формирования островполучены в многолучевых условиях вдоль оси зоны (001).

Справа — геометрия поперечного сечения (010), изображения ков. Несмотря на то что реальная система трехмерполучены в двухлучевых условиях с действующим рефлек- ных островков, имеющих разную форму, требует более сом (200).

сложного теоретического рассмотрения, чем это сделано в работе [14], общие тенденции остаются теми же самыми, так как энтропийные эффекты в равновесном массиве островков обусловливают меньший объем при количество точек. Таким образом, значения плотности больших температурах.

и латерального размера определялись с большей точноСледует отметить, что достижение КТ равновесностью по сравнению с высотой.

го объема при низких температурах возможно лишь Для оценки зависимости среднего объема КТ от температуры можно использовать положение максимума спектра ФЛ, т. е. энергию локализации электроннодырочных пар Eexc. Энергия локализации зависит как от объема, так и от формы КТ. Влияние формы КТ на энергию оптического перехода было рассчитано в работе [6].

Показано, что для КТ InAs фиксированного объема в матрице GaAs изменение формы КТ от пирамиды до плоского островка приводит к длинноволновому сдвигу примерно на 30 мэВ. Спектры ФЛ квантовых точек, выращенных при различных температурах, представлены на рис. 3. Увеличение температуры в диапазоне от до 520C приводит к коротковолновому сдвигу спектра ФЛ, что говорит об уменьшении объема КТ. Учитывая увеличение латерального размера КТ с увеличением температуры подложки (рис. 1), можно сделать вывод, что коротковолновый сдвиг, связанный с уменьшением объема КТ, компенсирует длинноволновый сдвиг, связанный с уменьшением их высоты.

Экспериментально наблюдаемое уменьшение объема островков с увеличением температуры находится в очевидном противоречии с кинетическими моделями самоограничивающегося роста по Странскому–Крастанову [7–9], которые предсказывают увеличение объема островков с увеличением температуры, что вызвано большим коэффициентом поверхностной диффузии адатомов и более слабым влиянием диффузионных барьеРис. 3. Спектры фотолюминесценции КТ, выращенных при ров при высоких температурах.

различных температурах. На вставке — зависимость энерТермодинамические теории [10–13] описывают массив гии локализации экситона Eexc в КТ относительно ширины трехмерных островков, упорядоченных по форме, размезапрещенной зоны GaAs-матрицы. Температура измерения рам и относительному расположению, как новый класс T = 300 K.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Управление параметрами массивов квантовых точек InAs–GaAs в режиме роста... при длительных прерываниях роста, так как при этом обменные реакции на поверхности замедлены. Малый объем КТ, выращенных при 420C, объясняется тем, что в нашем случае во всех структурах применялось одинаковое кратковременное прерывание роста после осаждения InAs. Наблюдаемое на ПЭМ-изображениях увеличение высоты КТ при 520C, по-видимому, связано с уширением профиля состава при высоких температурах роста, что подтверждается коротковолновым сдвигом линии ФЛ.

4. Влияние понижения температуры после осаждения InAs на параметры массивов квантовых точек Нами исследовалось поведение массива островков Рис. 4. Спектры фотолюминесценции КТ, выращенных методом активированного распада InGaAs при постоянной темпев случае применения длительных прерываний роста, ратуре подложки Ts = 485C и с охлаждением температуры а также в случае уменьшения температуры непосредподложки после формирования КТ от 485 до 430C. На вставственно после осаждения InAs (до заращивания GaAs).

ке — схема активированного распада. Температура измерения Прерывание роста на 10 с увеличивает однородность T = 300 K.

КТ по размерам [5]. Увеличение времени прерывания до 120 с при фиксированной температуре не вызывает изменений размеров точек и их плотности, но приводит к образованию случайно расположенных кла- времени, латеральный размер и плотность точек не успестеров большого размера. При дальнейшем увеличении вают достичь равновесных значений, соответствующих времени прерывания роста плотность больших остров- конечной температуре. Интересно отметить, что средняя ков увеличивается, а плотность когерентных островков высота КТ в структурах, выращенных с охлаждением, уменьшается [14,5]. Данный эффект можно объяснить значительно превышает значения высоты точек, выраследующим образом: согласно термодинамической мо- щенных как при начальной, так и при конечной темдели существует вероятностное распределение КТ по пературе. Данный эффект, по-видимому, связан с кинеразмерам. Несмотря на то что вероятность образования тическими особенностями достижения квантовыми точбольших точек мала, некоторое их количество все же ками равновесного размера и требует дополнительного присутствует на поверхности. Если островок превышает исследования. Увеличение объема КТ при охлаждении некий критический объем, то в нем могут возникнуть подтверждается сильным длинноволновым сдвигом ФЛ дислокации. Такие островки также могут образовываться в структурах, выращенных с понижением температуры вследствие неидеальности подложки, т. е. наличия де- подложки (рис. 4).

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.