WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 8 Структура гетерограниц и фотолюминесцентные свойства GaAs / AlAs-сверхрешеток, выращенных на (311)Aи (311)B-ориентированных поверхностях: сравнительный анализ © Г.А. Любас¶, Н.Н. Леденцов, Д. Литвинов†, Б.Р. Семягин, И.П. Сошников, В.М. Устинов, В.В. Болотов, D. Gerthsen† Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия † University of Karlsruhe, D-76128 Karlsruhe, Germany (Получена 10 декабря 2001 г. Принята к печати 18 декабря 2001 г.) Фотолюминесцентные свойства GaAs / AlAs-сверхрешеток второго типа, выращенных на поверхности (311), определяются ее полярностью. Ранее электронно-микроскопические исследования показали наличие в образцах, выращенных на поверхности (311)A, гофрировки (corrugation) обоих GaAs / AlAsи AlAs / GaAs-интерфейсов с высотой 1 нм и периодом 3.2 нм. В настоящей работе в электронномикроскопических картинах и их фурье-изображениях сверхрешетки, выращенной на поверхности (311)B, латеральная периодичность в 3.2 нм также выявляется, однако выражена она слабо, что связано с нечетким гофрированием и наличием длинноволнового (> 10 нм) беспорядка. Спектры фотолюминесценции сверхрешетки GaAs / AlAs на поверхности (311)A сильно поляризованы относительно направления гофрирования интерфейса в отличие от сверхрешетки (311)B, где гофрировка выражена слабо. Нами обнаружено, что гигантское замешивание - и X-минимумов зоны проводимости имеет место только для сверхрешоток с сильно гофрированными интерфейсами и позволяет получить ярко-красную люминесценцию вблизи 650 нм вплоть до комнатной температуры. Обнаруженные отличия для сверхрешеток, выращенных на поверхностях (311)A и (311)B, подтверждают, что именно гофрирование интерфейса, а не кристаллографическая ориентация играет определяющую роль в оптических свойствах сверхрешоток (311).

В последние годы большой интерес уделяется ис- няется в основном ориентационной анизотропией последованию эффекта периодического фасетирования по- верхности (311), в то время как при толщине меверхности (311)A GaAs, который был открыт в 1991 го- нее 35 — преимущественно гофрировкой гетеду [1]. При типичных для молекулярно-пучковой эпи- рограниц [3,4]. Обнаруженная поляризационная анизотаксии (МПЭ) условиях поверхность (311)A GaAs ре- тропия ФЛ хорошо согласуется с данными высокоразконструируется в периодический массив микрофасеток решающей просвечивающей электронной микроскопии (микроканавок), направленных вдоль кристаллографи- (ВПЭМ) [5], которые показали наличие в образцах, вы ческого направления [233] с периодом 32 вдоль на- ращенных на поверхности (311)A, гофрирования обоих правления [011] [1]. Высота микроканавок составля- GaAs / AlAs- и AlAs / GaAs-интерфейсов с латеральным ет 10.2 [1]. При гетероэпитаксиальном росте на та- периодом в 3.2 нм и высотой гофрирования 1 нм. Настокой фасетированной поверхности чередующихся слоящая работа посвящена сравнительному исследованию ев GaAs и AlAs получаются сверхрешетки (СР) с ФЛ и структуры сверхрешеток GaAs / AlAs, выращенных периодически модулированными по толщине слоями.

на (311)A- и (311)B-ориентированных поверхностях.

Такие сверхрешетки принято называть латеральными Исследуемые СР GaAs / AlAs были выращены месверхрешетками (ЛСР), а модуляцию толщины слоев — тодом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках гофрировкой („corrugation“) слоев, или гетерограниц.

GaAs с ориентацией (311)A, (311)B и (100). НаправЛСР представляют собой квазиодномерные системы с ления A и B определялись по анизотропии химичесильным эффектом размерного квантования носителей ского травления. Период в исследуемых СР равнялзаряда. Последнее важно при иследовании квантовых ся 4 нм, а средняя толщина GaAs и AlAs слоев быявлений при комнатной температуре и создании прила одинаковой и составляла величину 2 нм. Образцы боров, работающих на межподзонных переходах при были исследованы методом ФЛ спектроскопии в диавысоких температурах. Недавно в таких структурах пазоне температур от 77 до 300 K. Источником возбыло обнаружено явление поляризационной анизотробуждения ФЛ служил Ar-лазер (488 нм) с типичной пии фотолюминесценции (ФЛ) [2–4] и установлено, мощностью накачки 10-20 мВт (плотность мощности что при разной толщине GaAs-слоев наблюдается разсоставляла 5-10 Вт / см2). Спектры ФЛ регистрированая природа поляризационной анизотропии [3,4]. Для лись с применением двойного монохроматора СДЛ-1 с толщины более 35 природа поляризации объясразрешением 0.4 нм и фотоумножителя с катодом S-20.

¶ E-mail: lubas@isp.nsc.ru В качестве анализатора поляризации излученного от 960 Г.А. Любас, Н.Н. Леденцов, Д. Литвинов, Б.Р. Семягин, И.П. Сошников, В.М. Устинов, В.В. Болотов...

образцами, анализировалась в плоскости слоев СР для случаев: вдоль (линия — S-компонента) и поперек (пунктир — P-компонента) канавок. Как и предполагалось, в спектрах ФЛ ЛСР (311)A наблюдается сильная поляризационная анизотропия. Степень поляризации (S-P)/(S + P) для пика с энергией 1.69 эВ составила Рис. 1. Спектры фотолюминесценции сверхрешеток GaAs / AlAs, выращенных на поверхностях (311)A и (311)B в одном ростовом цикле. Спектры сверхрешетки (311)B увеличены в 50 раз. T = 300 K. Поляризация света, излученного образцами, анализировалась в плоскости слоев сверхрешеток для случаев: вдоль (1 — S-компонента) и поперек (2 — P-компонента) канавок гофрировки.

образцов света применялась бипризма Глана. На входе монохроматора стоял деполяризующий клин. Структура сверхрешеток исследовалась методом высокоразрешающей электронной микроскопии на просвет с обработкой изображений для выделения контраста, связанного с различным коэффициентом экстинции электронов для AlAs и GaAs.

На рис. 1 показаны спектры ФЛ сверхрешеток GaAs / AsAs, выращенных на поверхностях (311)A и (311)B в одном росте и, следовательно, при одинаковых условиях. Измерения проходили при комнатной температуре. У СР GaAs / AlAs, выращенной на фасетированной поверхности (311)A, была обнаружена эффективная ФЛ при комнатной температуре. Свечение красного цвета от нее было видно глазом, и интенсивность была более чем в 50 раз выше, чем в случае СР на поверхности (311)B (спектры последней на рис. 1 приводятся увеличенными в 50 раз). Отличие объясняется формированием в СР (311)A хорошо структурированных гофрированных слоев арсенида галлия, наличие которых в данном образце было подтверждено прямыми электронно-микроскопическими исследованиями. Латеральная локализация электронов в ЛСР (преимущественно движение электронов в ЛСР возможно только вдоль канавок гофрирования) уменьшает безызлучательную поверхностную рекомбинацию, следствием чего и является высокая интенсивность ФЛ при комнатных температурах. Возбуждающий ФЛ свет падал под углом к плоскости слоев СР. Направление Рис. 2. Спектры фотолюминесценции сверхрешеток вектора электрического поля E (поляризация возбуждаGaAs / AlAs, выращенных на поверхностях (311)A (рис. 2, a), ющего излучения) в плоскости слоев СР составляло (311)B (рис. 2, b) и (100) (рис. 2, c) в одном ростовом цикле.

угол 45 градусов с направлением канавок гофрировки Температура, K: 1 — 77, 2 — 295, 3 — 117, 4 — 150. Спектры (направлением [233]). ФЛ регистрировалась по нормали записаны без анализатора. Для сверхрешеток (311)B и (100) к плоскости слоев. Поляризация света, излученного спектры при комнатной температуре увеличены в 5 раз.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Структура гетерограниц и фотолюминесцентные свойства GaAs / AlAs-сверхрешеток... Рис. 3. Фурье-образцы изображений ВПЭМ, полученные для сверхрешеток (311)A (рис. 3, a) и (311)B (рис. 3, b) с вычитанием длинноволновой компоненты. На рис. c и d соответственно показаны фурье-образы тех же самых сверхрешоток, но без вычитания.

Для обеих сверхрешоток наблюдается латеральный период величиной 3.2 нм. При этом в (311)B его видно намного хуже, чем в (311)A, и длинноволновая компонента его сильно замазывает.

величину более 60% и для пика с энергией 1.84 эВ — шетки (311)B не происходит заметной модификации примерно 22% (рис. 1). Как можно видеть из того же электронно-оптических свойств вследствие гофрировки рисунка, анизотропия ФЛ была существенно меньше в гетерограниц, как это происходит у СР (311)A. Более случае СР (311)B (максимум 1.71 эВ), а ее степень со- слабое гофрирование и присутствие длинноволнового ставила величину около 10%. Уменьшение поляризаци- беспорядка в (311)B не позволяют сделать этого. В то онной анизотропии для СР (311)B вполне объяснимо и время как дополнительное размерное квантование носвязано с тем, что гофрировка в ней не такая четкая, как сителей заряда, возникающее из-за модуляции толщив (311)A. Таким образом, в случае СР (311)B влияние ны слоев в ЛСР (311)A, приводит к существенной гофрировки гетерограниц мало, а природа поляризации модификации ее электронно-оптических и квантовых объясняется в основном анизотропией валентной зоны.

свойств. Просходит замешивание1 и X-минимумов Отметим, что при изменении температуры существеннозоны проводимости. В результате чего в спектре ФЛ го изменения величины поляризационной анизотропии ЛСР (311)A видно два максимума, как от переходов не наблюдается.

с участием X-минимума зоны проводимости, так и из Рассмотрим спектры ФЛ СР с ориентацией (311)A, замешенных -X-состояний. Отметим, что такое ги(311)B и (100), которые приведены на рис. 2 для разных гантское замешивание наблюдается впервые и связано значений температуры. СР выращены в одном ростос четкой гофрировкой гетерограниц с периодом 3.2 нм и вом цикле. Если сравнить спектры СР (311)B и (100) высотой 1 нм в исследуемой ЛСР (311)A.

(рис. 2, b и c соответственно), то можно заметить, что Обнаруженное существенное отличие спектров ФЛ они очень похожи между собой и коренным образом между СР (311)A и (311)B согласуется с прямыотличаются от спектров СР (311)A (рис. 2, a). В отличие ми исследованиями методом высокоразрешающей элекот последней спектры СР (311)B и (100) содержат тронной микроскопии. На рис. 3 приводятся Фурьепо одному максимуму, интенсивность которого растет образы изображений ВПЭМ, полученные для СР (311)A с уменьшением температуры. Похожесть фотолюминесценции СР (311)B и (100) означает, что у сверхре- Явление замешивания впервые наблюдалось в работе [2].

5 Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 962 Г.А. Любас, Н.Н. Леденцов, Д. Литвинов, Б.Р. Семягин, И.П. Сошников, В.М. Устинов, В.В. Болотов...

Рис. 4. Электронно-микроскопическое изображение структуры гетерограниц сверхрешетки (311)B. Вертикально — направле ние [311], горизонтально — направление [011]. Светлые слои — слои AlAs. Высота изображения 16 нм. Видны: слабая гофрировка с латеральным периодом в 3.2 нм и длинноволновый беспорядок с характерым латеральным размером более 10 нм.

(рис. 3, a) и (311)B (рис. 3, b) с вычитанием длинно- гофрирования интерфейса, существенно выше, чем поволновой компоненты, которое применялось с целью перек). В спектрах СР (311)B анизотропия существенно выделения латеральной периодичности. На рис. 3, c и d меньше. Таким образом, подтверждается вывод, сдеприводятся фурье-образы изображений для тех же СР ланный в работе [3], что природа поляризации для (311)A и (311)B, но только без вычитания. Как можно ЛСР (311)A не объясняется только одной ориентацивидеть, и в (311)A, и в (311)B есть латеральный период онной анизотропией поверхности (311), а определяется величиной 3.2 нм. При этом в (311)B он проявляет- в основном гофрированием гетерограниц. В отличие от (311)A у сверхрешетки (311)B не происходит замется намного слабее, и длинноволновая компонента его ной модификации электронно-оптических свойств вследсильно замазывает, но максимум интенсивности все ствие гофрировки. По своим электронным свойствам она же есть. Наличие такого латерального периода для больше похожа на обычную СР (100). Вышеизложенные СР (311)B согласуется в недавними исследованиями исследования являются важными как с научной точки сканирующей туннельной микроскопии [6]. Заметим, зрения, так и в плане приборных перспектив и могут что обнаруженная латеральная периодичность в 3.2 нм быть применены, например, для разработки планарных для СР (311)B не такая четкая, как в (311)A, и ее приемников ИК излучения на межподзонных переходах достаточно хорошо можно увидеть лишь после удаления с поляризационно-чувствительным детектированием и длинноволновой компоненты. Кроме того, как следует из нормальным падением света, ИК илучателей, планарных приведенного ВПЭМ изобажения на рис. 4, в СР на поEsaki-Tsu сверхрешеток для СВЧ применений (в том верхности (311)B практически отсутствует вертикальная числе трехтерминальных, с затвором, например усиликорреляция областей, богатых GaAs и AlAs.

телей СВЧ) и т. д.

Таким образом, фурье-анализ ВПЭМ изображений, полученных от сверхрешеток (311)A и (311)B, показал Один из авторов (Г.А. Любас) выражает благодарность наличие в обоих случаях латерального периода величиМеждународному благотворительному научному фонду ной 3.2 нм. При этом в СР (311)B латеральный период им. К.И. Замараева.

не так заметен, как в (311)A. Причиной этому является более слабая гофрировка и присутствие большого количества длинноволнового беспорядка. В СР (311)A обна- Список литературы ружена очень ясная гофрировка с высотой 1 нм и четкой [1] R. Ntzel, N.N. Ledentsov, L.A. Dweritz, M. Hohenstein, периодичностью в 3.2 нм. Установлено, что гигантское K. Ploog. Phys. Rev. Lett., 67, 3812 (1991).

замешивание - иX-минимумов зоны проводимости име[2] R. Ntzel, N.N. Ledentsov, L.A. Dweritz, K. Ploog, ет место только для сверхрешеток с сильно гофрированM. Hohenstein. Phys. Rev. B, 45, 3507 (1992).

ными интерфейсами и позволяет получить ярко-красную [3] Г.А. Любас, В.В. Болотов. Письма ЖЭТФ, 72, 294 (2000).

люминесценцию вблизи 650 нм вплоть до комнатной [JETP Lett., 72, 205 (2000)].

температуры. В спектрах ФЛ СР (311)A наблюдается [4] G.A. Lyubas, V.V. Bolotov. Abstracts 9th Int. Conf. on Defects:

сильная поляризационная анизотропия (интенсивность Recognition, Imaging and Physics in Semiconductors (Rimini, света, поляризованного в направлении вдоль канавок Italy, Sept. 24–28, 2001) p. 214.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Структура гетерограниц и фотолюминесцентные свойства GaAs / AlAs-сверхрешеток... [5] N.N. Ledentsov, D. Litvinov, A. Rosenauer, D. Gerthsen, I.P. Soshnikov, V.A. Shchukin, V.M. Ustinov, A.Yu. Egorov, A.E. Zukov, V.A. Volodin, V.E. Efremov, V.V. Preobrazhenskii, B.P. Semyagin, D. Bimberg, Zh.I. Alferov. J. Electron. Mater., 30, 463 (2001).

[6] Z.M. Wang, L. Dweritz, K.H. Ploog. Appl. Phys. Lett., 78, (2001).

Редактор Л.В. Беляков Interface structure and photoluminescence properties of GaAs / AlAs superlattices grown on (311)A- and (311)B-oriented surfaces:

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.