WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 8 Зависимость длины волны излучения квантовых ям InGaAsN от состава четверного соединения ¶ © А.Е. Жуков, А.Р. Ковш, Е.С. Семенова, В.М. Устинов, L. Wei, J.-S. Wang, J.Y. Chi Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Industrial Technology Research Institute, Chutung, Hsinchu 310, Taiwan, Republic of China (Получена 27 декабря 2001 г. Принята к печати 28 декабря 2001 г.) Экспериментально исследована зависимость спектрального положения линии фотолюминесценции квантовых ям InGaAsN от химического состава четверного соединения. Предложено эмпирическое выражение, позволяющее с хорошей точностью описать наблюдаемые закономерности и предсказать требуемый состав соединения для достижения заданной длины волны.

Интерес к светоизлучающим приборам на подлож- излучения квантовых ям InGaAsN, выращенных метоках GaAs, способным работать в диапазоне длин дом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) на подволн 1.3 мкм при комнатной температуре, обусловлен ложках GaAs, от содержания индия и азота, а таких потенциально более хорошими приборными харак- же приводим эмпирические формулы, позволяющие теристиками по сравнению с традиционными гетеро- в простом аналитическом виде описать наблюдаемые структурами на основе InP, а также большей техноло- закономерности.

гической легкостью создания вертикально-излучающей Исследуемые структуры состояли из одиночной кванструктуры [1]. В течение последних двух лет вертикаль- товой ямы InGaAsN толщиной 6.2 нм или слоя GaAsN но-излучающие лазеры диапазона 1.3 мкм были ре- толщиной 0.2 мкм в матрице GaAs, ограниченной тонализованы с использованием различных подходов к кими (50 нм) слоями Al0.3Ga0.7As. Структуры были созданию активной области: массива квантовых точек выращены в установке МПЭ Riber Epineat, оснащенInAs/InGaAs [2], квантовой ямы InGaAsN [3,4], а также ной высокочастотным плазменным источником активквантовой ямы GaAsSb [5,6].

ного азота Applied-EPI UNI-Bulb. Для всех структур В случае использования квантовых ям InGaAs про- температура осаждения активной области составлядвинуться в интересующий диапазон длин волн 1.3 мкм ла 450C, скорость роста 0.35 нм/с. Измерение спектров позволяет добавление относительно малого количества фотолюминесценции (ФЛ) проводилось при комнатной азота (несколько процентов). Как было показано [7], температуре (20C). Фотолюминесценция возбуждалась сильное сужение ширины запрещенной зоны в четвер- Ar+-лазером (100 мВт) и детектировалась охлаждаемым ном соединении Inx Ga1-x As1-yNy обусловлено взаи- InGaAs-диодом. Структурные свойства исследовались модействием между состояниями зоны проводимости методом двухкристальной рентгеновской дифракции на InGaAs-матрицы и состояниями азота, локализованными установке Bede D1.

в узкой резонансной зоне. Параметрами, управляющими Мы полагаем, что значительный разброс данных по задлиной волны излучения, являются содержание индия x висимости длины волны от состава InGaAsN во многом и азота y в четверном соединении, а также ширина обусловлен неточной оценкой содержания азота и индия квантовой ямы. Увеличение каждого из этих параметров в квантовой яме. Прямое определение химического должно приводить к длинноволновому сдвигу максиму- состава квантовой ямы InGaAsN методом рентгеновской ма излучения. Однако опубликованные к настоящему дифракции невозможно, поскольку добавление как азота, времени данные обнаруживают значительный разброс, так и индия приводит к изменению напряжения GaAs.

как видно из таблицы. В связи с этим представляетБолее того, остается открытым вопрос о влиянии индия ся, что исследование зависимости длины волны излув слоях InGaAsN на эффективность встраивания атомарчения квантовых ям InGaAsN от химического состаного азота из плазменного источника по сравнению со ва четверного соединения не потеряло актуальности.

случаем GaAsN. Обычно при рассмотрении четверных Следует отметить, что энергия оптического перехода может быть вычислена исходя из определенных предВзаимосвязь между содержанием индия x, азота y, шириной ставлений о зонной структуре четверного соединения квантовой ямы L в четверном соединении Inx Ga1-xAs1-y Ny (см., например, [8]). Однако практическое использование и длиной волны излучения вертикально-излучающего лазера результатов подобных расчетов затруднено отсутствием обобщающих формул.

x, % y, % L, nm, µm Reference В настоящей работе мы приводим результаты сис30 2 7 1.2 Larson [11] тематического исследования зависимости длины волны 35 1.8 6.5 1.28 Steinle [4] ¶ 34 1 6 1.295 Choquette [3] E-mail: zhukov@beam.ioffe.rssi.ru Зависимость длины волны излучения квантовых ям InGaAsN от состава... ством рентгеновской дифракции от тройного соединения GaAsN, выращенного при тех же ростовых условиях и условии сохранения общей скорости роста.

При выращивании квантовых ям InGaAs(N) потоки атомов In и Ga выбирались таким образом, чтобы обеспечить сохранение полной скорости роста неизменной. Химический состав слоев GaAs1-yNy измерялся по отстоянию дифракционного пика GaAsN от пика GaAs(004), считая постоянную решетки кубического GaN равной 0.452 нм. Содержание индия и толщина квантовой ямы Inx Ga1-xAs определялись с помощью моделирования спектров рентгеновской дифракции от структур, содержащих периодическую последовательность из пяти квантовых ям, разделенных барьерами GaAs толщиной 45 нм. На рис. 1 показаны примеры экспериментальных спектров и результаты моделирования.

Зависимость положения пика ФЛ от содержания азота y, экспериментально измеренная в слоях GaAs1-yNy, приведена на рис. 2. Ширина запрещенной зоны тройного соединения такого типа обычно описывается квадратичной зависимостью вида EGaAsN = EGaN y + EGaAs (1 - y) - CGaN-GaAs y (1 - y), (1) где EGaN и EGaAs — ширины запрещенных зон бинарных соединений, образующих твердый раствор, CGaN-GaAs — параметр изгиба запрещенной зоны, описывающий взаимодействие бинарных компонент в твердом растворе.

Пример аппроксимации экспериментальной зависимости выражением вида (1) показан на рис. 2. Как видно, в слуРис. 1. Двухкристальные рентгеновские кривые качания вблизи рефлекса GaAs(004) для эпитаксиального слоя GaAs0.988N0.012 толщиной 0.2 мкм (a) и пятипериодной сверхрешетки In0.35Ga0.65As (6нм) / GaAs (48 нм) (b). Сплошные линии — экспериментальные результаты, штриховые линии — моделирование.

квантовых ям считается, что при условии сохранения полной скорости роста мольная доля азота в InGaAsN соответствует концентрации азота в GaAsN (см., например, [9]). Однако некоторые экспериментальные факты позволяют усомниться в справедливости данного предположения. Так, в частности, было показано, что коэффициент встраивания азота в InAs много меньше, чем в GaAs [10]. Данный факт указывает на то, что эффективность встраивания азота в слои InGaAs может зависеть от мольной доли индия в соединении. С другой стороны, предлагаемая нами далее модель позволяет избежать вопроса о точном определении мольной доли Рис. 2. Зависимость энергии оптического перехода от соазота в квантовой яме и напрямую связать длину волны держания азота в слоях GaAs1-y Ny. Символы — экспериизлучения квантовой ямы InGaAsN с параметрами, коментальные результаты; 1 — аппроксимация выражением (2);

торые можно определить посредством предварительных 2 — аппроксимация выражением (1), варьируя как параметр калибровок. В наших дальнейших рассуждениях под изгиба запрещенной зоны, так и ширину запрещенной зосодержанием азота в квантовой яме InGaAsN мы будем ны GaN; 3 — аппроксимация выражением (1), варьируя только понимать мольную долю азота, определенную посред- параметр изгиба запрещенной зоны.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 966 А.Е. Жуков, А.Р. Ковш, Е.С. Семенова, В.М. Устинов, L. Wei, J.-S. Wang, J.Y. Chi чае тройного соединения GaAsN приведенная формула отметить, что параметр остается практически неизпозволяет описать зависимость положения пика ФЛ от менным для всех исследованных значений концентрации состава лишь в области очень малого содержания азота индия, находясь в диапазоне 310-320 мэВ. В то же (менее процента), недостаточного для достижения дли- время параметр y0 сильно возрастает с увеличением ны волны 1.3 мкм в квантовых ямах InGaAsN. В области содержания индия до 2.8% при x = 35%, что отражает большего содержания азота положение пика ФЛ более уменьшение влияния азота на положение линии ФЛ слабо зависит от состава, имея тенденцию к насыщению.

в индийсодержащих структурах. Данный эффект был Это означает, что параметр изгиба запрещенной зоны не описан в [7,8] в терминах уменьшения параметра изгиявляется постоянным во всем диапазоне составов, так ба зоны при увеличении содержания индия. С другой как зависит от содержания азота в тройном соединении.

стороны, уменьшение параметра y0 может быть также Как показано на рис. 2, экспериментальные данные объяснено уменьшением реальной концентрации азота в диапазоне y = 0-2% формально могут быть описаны вследствие уменьшения эффективности встраивания атоквадратичной зависимостью вида (1), если рассматри- марного азота при возрастании мольной доли индия.

вать EGaN в качестве второго подгоночного параметра.

Таким образом, предлагаемая эмпирическая зависимость При этом, однако, теряется физический смысл как EGaN, учитывает суммарное влияние обоих эффектов.

так и CGaN-GaAs. Кроме того, предсказываемое увеличение энергии оптического перехода при y, больших чем 2.5%, экспериментально не наблюдается.

Для описания экспериментальной зависимости положения пика фотолюминесценции слоев GaAs1-yNy от содержания азота мы предлагаем использовать выражение EGaAsN = EGaAs - 1 - exp(-y/y0), (2) где и y0 — подгоночные параметры, совместно описывающие изменение ширины запрещенной зоны в области малых составов (EGaAsN EGaAs - ( /y0) y) и уменьшение влияния азота в области больших составов (EGaAsN EGaAs - ). Наилучшее соответствие во всем исследованном диапазоне составов обеспечивают параметры = 321 мэВ и y0 = 1.21% (рис. 2).

На рис. 3, a точками показана зависимость положения пика ФЛ от содержания азота y в диапазоне 0-2.8% для квантовых ям InxGa1-x As1-yNy с мольной долей In x 21, 27 или 35%. Для всех случаев ширина квантовой ямы составляла 6.2 нм. Квадратами показана аналогичная зависимость, взятая из работы [8]. Мы обнаружили, что, как и в случае объемных слоев GaAsN, экспериментальные результаты могут быть удовлетворительно описаны выражением вида (2), если ширину запрещенной зоны GaAs заменить на энергию оптического перехода свободной от азота квантовой ямы InGaAs, а параметры и y0 полагаются зависящими от содержания индия:

EInGaAsN = EInGaAs - (x) 1 - exp -y/y0(x). (3) Результаты аппроксимации приведены на рис. 3, a сплошными линиями, а значения подгоночных параметров в зависимости от x показаны точками на рис. 3, b.

Как следует из рис. 3, b, экстраполяция значений Рис. 3. a — экспериментальная зависимость энергии опи y0 в область малого содержания In в квантовой яме тического перехода от содержания азота в квантовых ямах приводит к значениям, совпадающим с полученными InxGa1-x As1-yNy шириной 6.2 нм для различных значений для случая толстых слоев GaAsN. Это означает, что содержания индия, x: 1 — 0.35, 2 —0.30 [8], 3 — 0.27, 4 —0.параметры и y0 слабо зависят от эффектов размери аппроксимация выражением (3) (линии), b — зависимость ного квантования, обусловленных шириной квантовой параметров и y0 от содержания индия для экспериментальямы, и отражают зависимость ширины запрещенной но исследованных составов (точки) и линейная интерполязоны от состава азотсодержащего соединения. Следует ция (линии).

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Зависимость длины волны излучения квантовых ям InGaAsN от состава... вычисленный согласно (3), представлен на рис. 4, a.

Значения параметров и y0 экстраполированы в области несколько больших и меньших составов по индию (x = 20-40%) по отношению к области экспериментальных значений (27-35%). Как видно, с помощью изменения химического состава квантовой ямы Inx Ga1-xAs1-y Ny длина волны излучения может перекрыть широкий спектральный диапазон от 1.до 1.37 мкм.

На рис. 4, b показано соотношение между концентрациями азота и индия, необходимыми для достижения заданной длины волны. Как видно, для получения длины волны в диапазоне 1.28-1.33 мкм, практически важном для волоконно-оптической связи, содержание как индия, так и азота в квантовой яме достаточно высоко. Отметим, что к настоящему времени не до конца выяснено, какой состав является более предпочтительным с точки зрения приборных характеристик лазеров 1.3-мкм диапазона: увеличение содержания индия позволяет снизить требуемую концентрацию азота и позволяет таким образом избежать возможного повреждения поверхности ионами азота, однако ограничено формированием дислокаций несоответствия и переходом к островковому росту. С другой стороны, использование слишком сильно напряженных квантовых ям может привести к проблеме срока жизни приборов на их основе.

Таким образом, нами экспериментально исследована фотолюминесценция эпитаксиальных слоев GaAsN и квантовых ям InGaAsN как функция содержания азота и индия. Предложено эмпирическое выражение, позволяющее описать зависимость длины волны излучения в широком диапазоне составов (0-40% по индию, 0-3% по Рис. 4. a — зависимость длины волны излучения в азоту), учитывая непараболическую зависимость энерквантовых ямах InxGa1-x As1-yNy от химического состава;

гии оптического перехода азотсодержащих соединений b — взаимосвязь между содержанием азота и индия в квантоот концентрации азота и уменьшение влияния азота на вой яме, необходимым для достижения заданной длины волны ширину запрещенной зоны при увеличении содержания излучения, мкм: 1 — 1.25, 2 — 1.27, 3 — 1.29, 4 — 1.31, 5 — 1.33. индия.

Работа выполнена при поддержке совместной программы ФТИ и ITRI „Research and development of Для проверки предлагаемого подхода к описанию заadvanced light sources for application in the next generation висимости положения излучения квантовых ям InGaAsN of optoelectronic systems“, а также программ NATO от состава нами были проанализированы эксперименScience for Peace Program (grant SfP-972484) и „Физики тальные данные для квантовых ям In0.3Ga0.7As1-y Ny, твердотельных наноструктур“.

взятые из работы [8]. Эти данные представлены на рис. 3, a в виде квадратов. Исходя из зависимостей параметров и y0 от мольной доли индия, показанных Список литературы на рис. 3, b, мы определили значения данных величин, [1] V.M. Ustinov, A.E. Zhukov. Semicond. Sci. Technol., 15, Rсоответствующие 30-процентному содержанию индия, (2000).

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.