WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 5 Формирование структуры квантовых нитей InGaAs в матрице арсенида галлия © Л.К. Орлов, Н.Л. Ивина Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия E-mail: orlov@ipm.sci-nnov.ru (Поступила в Редакцию 1 июля 2003 г.) Обсуждается возможность формирования массивов одномерных квантовых проводников на базе пористых многослойных структур InxGa1-x As/GaAs с двумерным газом носителей заряда в слоях Inx Ga1-x As. Переход от монокристаллической матрицы к пористой прослеживается методом сканирующей атомно-силовой микроскопии. Понижение размерности электронно-дырочного газа в формируемых объектах, т. е. переход от двумерной системы к одномерной, устанавливается из анализа зависимостей положения и ширины спектральной линии в спектрах фотолюминесценции от времени травления образца. Подобная процедура осуществлена как на многослойных периодических сверхрешетках, так и на структуре с одиночным слоем Inx Ga1-x As, расположенным в приповерхностном слое арсенида галлия. Выполнены измерения электрофизических характеристик электронов в пористых сверхрешетках в зависимости от температуры, подтверждающие не только формирование новой структуры вещества, но и показывающие смену механизма рассеяния электронов в квазиодномерных транспортных каналах, формируемых в системе.

Работа выполнена в рамках гранта Министерства образования Российской Федерации (грант № E02-3.4-347) и при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 01-02-16778).

В последние годы заметно возрос интерес к пористым газом [9–11]. Доказательство успешной реализации идеи полупроводниковым материалам, на основе которых формирования двумерных массивов квантовых нитей естественным образом непосредственно в процессе элек- в пористых многослойных гетерокомпозициях требует, трохимического травления кристалла могут быть сфор- однако, проведения более тщательного, чем это сделано мированы объекты пониженной размерности, включая в [9–11], анализа свойств формируемых объектов раздвумерные плоскости [1,2], квантовые проволоки [3,4] личными методами и по возможности на большем числе и туннельно-связанные цепочки квантовых нульмерных разнообразных структур.

гранул [5,6]. Одна из таких идей, направленная на В настоящей работе обсуждается характер изменения создание системы квантовых проволок, связывается с структуры кристалла и свойств электронно-дырочного заполнением пор исходной диэлектрической матрицы газа до начала и после окончания процесса электро(предполагаются пористый Si, кристаллы опала и цео- химического травления образцов на основе данных, литы [7,8]) веществом другого химического состава, полученных методом сканирующей атомно-силовой миимеющего металлический, либо полупроводниковый тип кроскопии, фотолюминесценции и эффекта Холла. Более проводимости. Однако практическая реализация идеи детально, чем в [10], на примере как многослойных, так использования пористого материала для формирования и однослойных структур, проанализированы характер в его плоскостях низкоразмерных включений, в том сдвига и ширины спектральных линий фотолюминесценчисле обладающих свойствами квантовых сверхреше- ции в зависимости от времени травления образца (от ток [8], сталкивается с серьезными проблемами. Послед- поперечного, вдоль плоскости роста структуры, размера ние связаны, прежде всего, с трудностью формирования нитей, формирующих квантовую сетку). Для эксперивнутри пор исходной матрицы нитей другого материала ментов в качестве исходной матрицы были выбраны эпинанометрового сечения с совершенной кристаллической таксиальные однослойные и многослойные, в том чисструктурой и малой степенью разброса параметров, и ле периодические, полупроводниковые гетероструктуры одновременно обладающих приемлемыми электрически- GaAs/InxGa1-x As, выращенные методом газофазной эпими характеристиками. таксии при атмосферном давлении на полуизолирующих Для обсуждения предлагается отличная от высказан- подложках GaAs (100) [12]. Слои Inx Ga1-xAs в исходных другими авторами идея создания массивов кван- ных образцах образовывали одиночные либо двойные товых проволок в объеме полупроводниковой матрицы. квантовые ямы. Структуры были селективно легированы Способ изготовления двумерных массивов квантовых донорной примесью до концентрации 1016-1017 cm-3.

нитей основан на их самоформировании в процессе Общее число N квантово-размерных слоев Inx Ga1-xAs электролитического травления слоистых гетероэпитак- в выбранных структурах варьировалось от 1 до 10.

сиальных структур, в которые непосредственно при их Краткая информация о составе и толщинах слоев в исэпитаксиальном выращивании уже встроены слои нано- следованных структурах представлена в таблице. Кванметровой толщины с двумерным электронно-дырочным товые ямы в многослойной структуре отстояли одна от 10 914 Л.К. Орлов, Н.Л. Ивина Параметры структур GaAs/InGaAs/GaAs, использованных в стороны пластины) была выбрана такой, что линии тока эксперименте в гетерокомпозиции, выращенной на полуизолирующей GaAs подложке, были направлены как поперек, так № Число слоев d1, dqw, db, D, и вдоль поверхности образца, в основном по слоям x образца InGaAs nm nm nm nm InxGa1-x As, обладающим достаточно высокой двумер1 — 3253 0.15 1 9 – ной проводимостью. Геометрия линий тока, возможно, 2 — 3253 0.15 3 7, 9, 11 30 способствовала тому, что травление образцов могло 3 — 2053 0.25 10 21 7 7 идти как в поперечном, так и в продольном (вдоль плос4 — 2039 0.25 8 15 5 5 кости слоев структуры) направлении, формируя в слоях 5 — 2040 0.25 10 23 9 5 InxGa1-x As двумерную сетку из сложного переплетения нитей.

Примечание. Здесь dqw — толщина отдельной квантовой ямы, В качестве метода, позволяющего обнаружить эффект db — толщина барьера в двойной квантовой яме, d1 = 2dqw + db — толщина двойной квантовой ямы, x — содержание индия в тройном формирования массивов квантовых нитей в плоскости соединении.

двумерного слоя Inx Ga1-xAs при травлении образца, естественно выбрать любой из оптических методов (например, фотолюминесценцию), положительно заредругой в матрице GaAs на расстоянии D, составляющем комендовавших себя при тестировании других низконесколько десятков нанометров.

размерных объектов. Измерения фотолюминесцентных Выбранная процедура формирования двумерных масспектров были выполнены на стандартном решеточном сивов, образованных одномерными проводниками, заспектрометре (МДР-23) с возбуждением от гелий-неоноключалась в вытравливании вертикальных каналов в вого лазера. В качестве приемника использoвались либо кристалле, секущих плоскости слоев Inx Ga1-xAs, встроэлектронный фотоумножитель, либо охлаждаемый Ge енных в матрицу GaAs. Электрохимическое травление диод. Отчетливо наблюдаемая при температуре жидпроводилось в спиртовом растворе фтористо-водородной кого азота линия фотолюминесценции от измеряемой кислоты при плотностях токов 20–40 mA/cm2 в приструктуры позволяет легко проследить по изменению сутствии ультрафиолетовой подсветки. Токи при этом текли по слоям структуры вдоль поверхности образца.

В процессе травления структуры возникающие в материале поры со временем растравливаются, толщина поперечных перегородок уменьшается, что может в конечном итоге сказаться на характеристиках электронов (дырок), локализованных в слоях тройного соединения.

В частности, при формировании пористого кристалла на базе структур, содержащих двумерный электронный газ, можно ожидать понижения размерности его электронной подсистемы вследствие появления дополнительного пространственного ограничения двумерных носителей заряда не только в направлении, перпендикулярном плоскости слоев, но и в плоскости формируемой двумерной сетки. Свойства формируемого плоского массива квазиодномерных нитей могут существенным образом отличаться от свойств исходной полупроводниковой структуры.

Факт формирования пористой структуры в образце подтверждается снимками поверхности образца на сканирующем зондовом микроскопе (рис. 1) [9,10]. До травления (рис. 1, a) поверхность имела полосчатый вид с глубиной канавок до 4 nm. Наблюдаемая структура поверхности может быть связана со ступенями роста, но нельзя исключать из рассмотрения и качество полировки применяемых для эпитаксии пластин. После окончания процесса травления (рис. 1, b) поверхность структуры кардинальным образом меняется и приобретает вид, характерный для пористых систем. На поверхности исследуемых образцов наблюдалось значительное число пор с видимой глубиной до 100 nm. Геометрия травРис. 1. Изображения поверхности структуры (образец 4), поления структуры (контакт электролит–полупроводник лученные методом сканирующей атомно-силовой микроскопии и металлический (Au) контакт расположены с одной до начала (a) и после окончания (b) процесса травления.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Формирование структуры квантовых нитей InGaAs в матрице арсенида галлия сти на незначительное (около 1 µm) расстояние. Характерный спектр фотолюминесценции для одной из таких структур (образец 1 в таблице) с одним квантово-размерным слоем In0.15Ga0.85As, измеренный при температуре T = 77 K, приведен на рис. 2, a (штриховая кривая). Здесь же представлен вид резонансного пика, полученный после травления образца в течение 23 min (сплошная кривая). Линия излучения от двумерного пористого слоя In0.15Ga0.85As испытывает небольшое, но достаточно заметное смещение в коротковолновую область спектра.

Аналогичный коротковолновый сдвиг линии фотолюминесценции наблюдался во всех без исключения исследованных пористых структурах, в том числе в пористых сверхрешетках (образцы 3–5), содержащих последовательность двойных симметричных квантовых ям (рис. 2, b). В отличие от образца 4, подробно изученного раньше [9,10], общее время травления образцов 3, 5 было увеличено и достигало примерно двух часов. Нужно заметить, что исходные спектры всех сверхрешеток (штриховые кривые) имели достаточно большую ширину W порядка 30 meV на полувысоте спектральной линии, обусловленную естественным разбросом параметров слоев, и с большой точностью опиРис. 2. Спектры фотолюминесценции, снятые при T = 77 K от образцов 1 (a), 3 и 5 (b) до начала (штриховые кривые) и после окончания процесса травления (сплошные линии), проведенного в течение 23 (для образца 1) и 110 min (для образцов 3, 5).

положения и ширины спектральной линии возможную трансформацию двумерного спектра электронно-дырочного газа системы в одномерный при электрохимическом травлении образца. Прежде всего, при травлении структуры в спектре фотолюминесценции предполагалось обнаружить, и это было подтверждено первыми экспериментами [10], тенденцию к сдвигу линии излучения в более высокую область частот при одновременном уменьшении ее ширины вследствие резкого возрастания плотности электронныx состояний при понижении размерности системы.

Использование для реализации поставленной цели эпитаксиальных гетерокомпозиций с небольшим числом квантовых ям (образцы 1, 3 в таблице), расположенныx достаточно близко к внешней поверхности структуры, требует выбора особых условий травления, чтобы вытравливание микропор в кристалле не сопровождалось одновременным стравливанием поверхности образца в целом [11]. В этом случае удается прослеРис. 3. Зависимости положения максимума линий фотолюмидить за ходом влияния микропористости на фотолюнесценции E0 от времени травления образцов: a — 1, b — минесцентные свойства даже для одного-единственного и 5. (Штриховая линия показывает тенденцию в поведении слоя Inx Ga1-x As, удаленного от внешней поверхно- соответствующей зависимости).

10 Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 916 Л.К. Орлов, Н.Л. Ивина Рис. 4. Зависимости значений ширины W линий фотолюминесценции на полувысоте от времени травления образцов: a — 1, b — 2 (линия соответствует промежуточному слою InGaAs), c — 4, d — 5.

сывались гауссовыми кривыми. Ширина спектральной ничение на время травления образца. Данный факт линии сверхрешеток в 1.5–2 раза превышала шири- был продемонстрирован на примере структуры 2 с ну спектральной линии, полученной от одного слоя. тремя слоями Inx Ga1-xAs различной толщиной в раТочность измерения спектров соответствовала величине боте [11]. Для сверхрешеток общее время травления 0.1–0.3 meV и определялась разрешающей способностью может быть существенно увеличено, вследствие чего дифракционных решеток. наблюдаемый сдвиг спектрального пика за счет дополнительного квантово-размерного эффекта выражен Зависимость наблюдаемого сдвига линий фотолюмиболее сильно и разброс точек на зависимостях E0(t) несценции от времени травления образцов представлена проявляется не так заметно (рис. 3, b). Используя прона рис. 3. Коротковолновой сдвиг линии люминесценстейшую модель прямоугольного сечения формируемой ции, характерный для всех исследованных образцов, квантовой нити для наблюдаемого сдвига линий фотолюкак уже отмечалось ранее [10], вероятнее всего, мо2 минесценции E = Ee + Eh = 2 /2d2(1me + 1/mh), жет быть связан с появлением дополнительного прогде me(h) = 0.06 (0.4)m0 — эффективные массы электространственного ограничения в транспортных каналах на (дырки) в слое In0.25Ga0.75As соответственно, имеем структуры вследствие их трансформации из двумерных E 40 meV, что соответствует ширине бокового сечев одномерные при формировании в плоскости слоев ния нити d2 13 nm.

Inx Ga1-xAs двумерной сетки. Проявляющееся при травлении образца небольшое изменение упругой деформа- Понижение размерности спектра носителей заряда в ции слоев приводит, как показано в [13], к обратному полупроводнике, обусловливающее переход от двумерэффекту, т. е. к уменьшению ширины запрещенной зоны ной системы к квазиодномерной, с неизбежностью будет на величину, не превышающую 5 meV, обусловливая приводить к изменению характера плотности состоянезначительное смещение линии фотолюминесценции в ний в энергетическом спектре электронной подсистемы.

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.