WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 9 Влияние условий отжига на испарение дефектных областей в структурах с квантовыми точками InGaAs в матрице GaAs © Д.С. Сизов, М.В. Максимов, А.Ф. Цацульников, Н.А. Черкашин, Н.В. Крыжановская, А.Б. Жуков, Н.А. Малеев, С.С. Михрин, А.П. Васильев, Р. Селин, В.М. Устинов, Н.Н. Леденцов, Д. Бимберг, Ж.И. Алфёров Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Institt fr Festkrperphysik Technische Universitt Berlin, D-10623 Berlin, Germany (Получена 11 марта 2002 г. Принята к печати 13 марта 2002 г.) Методом фотолюминесценции и электронной микроскопии на просвет исследованы структуры с квантовыми точками In(Ga)As в матрице GaAs, полученные методом молекулярно-пучковой эпитаксии.

Структуры были подвергнуты технологии in-situ селективного термического удаления дефектных областей.

На основе результатов анализа люминесцентных свойств предложен метод оценки кристаллографического совершенства структур при помощи измерения интенсивности фотолюминесценции матрицы GaAs при высоких температурах измерения (до 400 K). Исследованы методики удаления дефектов с применением как однократного селективного удаления дефектных островков InAs при 600C, так и двухстадийной методики, дополнительно включающей в себя селективное заращивание тонким слоем AlAs и высокотемпературный (650-700C) отжиг. Найдены оптимальные режимы процесса, позволяющие получать структуры со сравнительно малым количеством дефектов без значительного уменьшения плотности когерентных квантовых точек.

1. Введение сокий максимальный коэффициент отражения (> 99.5%) и широкое плато в спектре отражения, что существенно Одним из важнейших направлений развития опто- сложнее осуществить в случае использования соединеэлектроники является усовершенствование оптических ний, изопериодических с подложкой InP. Кроме того, в усилителей, фотодетекторов и излучателей, работаю- случае реализации лазеров на основе КТ, локализация щих в диапазоне длин волн 1.25-1.7мкм. Лазеры и носителей тока по всем трем пространственным наоптические усилители этого диапазона являются клю- правлениям может подавить их диффузию к дефектным чевыми элементами бурно развивающихся технологий областям, продлить срок службы и увеличить плотоптоволоконной связи. Диапазон вблизи 1.3 мкм соот- ность оптической мощности, при которой происходит ветствует нулевой дисперсии стандартного оптического катастрофическая деградация зеркал [7,8], а также поволокна, доминирующего в современных линиях оптово- является возможность создать микролазеры. Структуры локонных коммуникаций и обеспечивающего максималь- с КТ демонстрируют также улучшенные динамические ную скорость при фиксированной длине линии связи.

характеристики по сравнению с лазерами на квантовых В последнее время получены хорошие результаты в ямах [9]. С другой стороны, КТ In(Ga)As/GaAs позволясоздании полупроводниковых инжекционных лазеров на ют реализовать эффективную интенсивность фотолюмиподложках GaAs, излучающих на длине волны 1.3 мкм, несценции (ФЛ) при комнатной температуре в диапазоне с квантовыми точками (КТ) в активной области [1–3].

длин волн 1.3-1.4мкм [10–12]. Напротив, при использоЛазеры с КТ в активной области, выращиваемые на вании квантовых ям In(Ga)As/GaAs генерацию с длиной подложках GaAs, особенно перспективны для приме- волны больше чем 1.1 мкм получить весьма трудно. Танения в линиях оптоволоконных передач и способны ким образом, использование КТ In(Ga)As/GaAs весьма заменить используемые сейчас лазеры на подложках InP. перспективно для инжекционных лазеров, излучающих Это обусловлено рядом причин. Во-первых, подложки на длине волны более 1.25 мкм. В настоящее время GaAs обладают большой механической прочностью и созданы полосковые лазеры длинноволнового диапазона теплопроводностью, а также малой себестоимостью. на основе КТ на подложках GaAs с рекордно низкими Во-вторых, лазеры с квантовыми ямами на основе твер- пороговыми плотностями тока [13]. Для полосковых ладых растворов InGaAsP и InGaAlAs, изопериодических зеров продемонстрированы высокие значения выходной с подложкой InP, уступают лазерам AlGaAs на под- мощности, а также высокие значения дифференциальной ложках GaAs в температурной стабильности пороговой эффективности [14,15]. Получены также поверхностно плотности тока из-за различий зонной структуры таких излучающие лазеры, продемонстрировавшие лазерную соединений [4–6]. Использование подложек GaAs также генерацию на длине волны 1.3 мкм, работающие в непрепозволяет получать поверхностно излучающие лазе- рывном режиме [16,17].

ры, используя многослойные зеркала GaAs–AlAs или Следует отметить, что, несмотря на описанные выше GaAs–Al(Ga)O, имеющие при относительно небольшом достижения, температурная стабильность порогового токоличестве периодов (20-25 и 5-6 соответственно) вы- ка лазеров на КТ при температуре выше комнатной пока 1098 Д.С. Сизов, М.В. Максимов, А.Ф. Цацульников, Н.А. Черкашин, Н.В. Крыжановская, А.Б. Жуков...

существенно уступает аналогичной характеристике лазе- слоя КТ тонким слоем GaAs и in situ удаления дефектов ров на квантовых ямах диапазона 1 мкм, выращенных на при 600C осаждался тонкий слой AlAs и проводился подложках GaAs. Причиной данного эффекта является высокотемпературный отжиг при 650-700C. Структуограниченная плотность электронных состояний в актив- ры исследовались методом просвечивающей электронной области с КТ InGaAs [18]. Присутствие дефектов, ной микроскопии, а также фотолюминесценции при связанных со спонтанным образованием дислокаций, высоких температурах (290-470 K). При таких темперадислокационных петель, диполей дефектов и др., также турах значение тепловой энергии kT (k — постоянная может оказать влияние на ухудшение характеристик Больцмана, T — температура) становится сравнимо приборов. Данные дефекты образуются с большей ве- с энергией локализации носителей заряда в КТ, слероятностью в структурах со сравнительно большими, по довательно, термический выброс и перезахват носитеразмерам, квантовыми точками, которые используются лей дефектами становится весьма существен. Основным для достижения длинноволнового диапазона излучения критерием оценки качества структуры в этом случае в лазерах. Если плотность дефектов сравнительно выявляется интенсивность ФЛ матрицы GaAs, поскольку сока, то безызлучательная рекомбинация на дефектах дефекты, захватывая свободные неравновесные носисравнима с излучательной рекомбинацией через уровни тели из матрицы, уменьшают заселенность состояний в КТ, что ведет к ощутимому снижению эффективности матрицы. Термический выброс из КТ при повышенных инжекции. Вследствие этого может возрастать поротемпературах позволяет усилить данный процесс, а говый ток, падать дифференциальная эффективность и значит повысить чувствительность ФЛ к дефектности максимальная выходная мощность. Следует отметить, структуры.

что ухудшение лазерных характеристик длинноволновых лазеров на КТ наблюдается только при повышенных 2. Эксперимент температурах наблюдения (вблизи комнатной и выше), в то время как при температурах ниже комнатной Исследуемые структуры были выращены методом параметры лазеров на КТ близки к идеальным [19].

молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) на установке В связи с вышеизложенным важной научной и техRiber-32P на полуизолирующих подложках GaAs (100).

нической задачей является получение бездефектных Формирование КТ контролировалось по картине дифракструктур с квантовыми точками In(Ga)As/GaAs, излуции быстрых электронов на отражение (ДБЭО) с почающими в длинноволновом (> 1.25 мкм) оптическом мощью системы регистрации картин ДБЭО. После осадиапазоне. Ряд работ посвящен разработке методов эпиждения буферного слоя GaAs при 600C выращивалась таксиального выращивания слоев с КТ In(Ga)As/GaAs с сверхрешетка Al0.3Ga0.7As/GaAs (5 пар 3нм/3нм) для целью получения структур с низкой плотностью дефекпредотвращения утечки носителей из активной области тов при требуемой длине волны излучения [10,12,20,21].

в подложку и буферный слой. Далее выращивался слой В частности, предложен метод in situ термического GaAs толщиной 0.16 мкм при той же температуре. Затем отжига (при 600C) слоя с КТ, заращенного тонким температура понижалась до 485C и осаждался слой КТ.

слоем GaAs (2нм) [21]. В результате такой процедуры Слой квантовых точек выращивался осаждением слоя наблюдается существенное снижение плотности дефекInAs эффективной толщины 2.5 монослоя для формиротов и улучшение лазерных характеристик.

вания начальных наноостровков, который заращивался В работах [1,22] предложен метод удаления дефекслоем In0.15Ga0.85As с целью получения КТ с длиннотов в структурах с частично релаксировавшими КЯ.

волновым излучением (1.3 мкм) [10]. Далее применялась Напряженные слои InGaAs, с толщинами выше криметодика удаления дефектов, схематически показанная тических для формирования дефектов несоответствия, на рис. 1, a. Тонкий слой GaAs (2нм) осаждался при выращивались на поверхности AlGaAs. Далее осаждался той же температуре, что и слой КТ (485C), при этом тонкий слой AlAs и проводился высокотемпературный GaAs не осаждался на крупные кластеры с дислокациотжиг (при 700C). После такой процедуры наблюдалось онной структурой вследствие существенной разницы паудаление дислокаций, сопровождавшееся увеличением раметров кристаллической решетки. Далее температура интенсивности фотолюминесценции более чем на 2 поповышалась до 600C и осуществлялась 1-я ступень ударядка. Идея метода состоит в следующем: покрывающий ления дефектов при этой температуре в течение 1 мин.

тонкий слой AlGaAs осаждается только на бездефектные области когерентного роста слоя InGaAs. Релаксировав- При этом непокрытые области вблизи дислокаций и островков испарялись, а покрытые области когерентного шие участки с дефектами имеют другую постоянную роста не подвергались испарению, поскольку темперакристаллической решетки, нежели AlGaAs, и остаются тура 600C выше температуры, при которой начинает незаращенными, так как осаждение на эти участки слоев испаряться InGaAs, но ниже температуры испарения AlGaAs, GaAs или AlAs энергетически менее выгодно.

Термический отжиг приводит к испарению таких неза- GaAs в ростовой камере. После этого на поверхность крытых участков с дефектами. В дальнейшем структуры образцов осаждался тонкий слой AlAs, толщиной 2 нм заращивали слоем GaAs. (при 600C), температура повышалась до 650-700C В данной работе предлагается метод двойного уда- и проводился 2-й этап отжига. Толщина покрывающеления дефектов в структурах с КТ. После заращивания го слоя оказывалась меньше в областях, содержащих Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Влияние условий отжига на испарение дефектных областей в структурах с квантовыми точками... Рис. 1. a — схема методики удаления дефектов: 1 — выращиваются островки InAs и заращиваются слоем InGaAs (квантовые точки на 1.3 мкм); 2 — квантовые точки заращиваются тонким слоем GaAs; 3, 4 — отжиг (600C), испарение неприкрытых дефектов; 5 — заращивание тонким слоем AlAs; 6 — высокотемпературный отжиг, испарение мелких дефектов; 7 — заращивание материалом матрицы, получение квантовых точек без дефектов. b — изображения, полученные с торца образцов на просвечивающем электронном микроскопе: после проведения одной ступени отжига (верхнее изображение) и двух ступеней (нижнее изображение).

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 1100 Д.С. Сизов, М.В. Максимов, А.Ф. Цацульников, Н.А. Черкашин, Н.В. Крыжановская, А.Б. Жуков...

дислокации и малые кластеры с дислокационной структурой. 2-й этап отжига приводит к перераспределению материала и вскрытию дефектных областей. Температура 700C меньше температуры испарения AlAs, и в процессе 2-й ступени отжига испаряются также только области с дислокациями. Далее температура понижалась до 650C и выращивался слой GaAs толщиной 40 нм, а также ограничивающая сверхрешетка Al0.3Ga0.7As/GaAs (5 пар 3нм/3нм) для предотвращения утечки и безызлучательной рекомбинации носителей на поверхности.

Сверхрешетка заращивалась слоем 10 нм GaAs. Были выращены образцы с КТ, заращенными GaAs (вместо AlAs) после 1-й ступени отжига. Образцы выращивались с целью экспериментальной проверки необходимости заращивания слоя AlAs перед высокотемпературным отжигом при 700C. В последних образцах КТ выращивались в матрице Al0.15Ga0.85As с целью предотвратить возможное испарение материала матрицы при 700C.

Выращен также контрольный образец с квантовыми точками при осаждении 2 монослоев InAs (пик ФЛ на 1.07 мкм). Известно, что такие КТ, выращенные методом МПЭ бездефектны, так как количество InAs меньше критической величины, при которой происходит дефектообразование. Этот образец использовался для количественного сравнения интенсивности ФЛ на нем и на исследуемых образцах.

ФЛ возбуждалась Ar+-лазером ( = 514.5 нм, плотность возбуждения Pex = 5000 Вт/см2) и детектировалась охлаждаемым Ge-фотодиодом. Исследования по методу просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) осуществлялись на микроскопе PHILIPS-EM-420 при ускоряющем напряжении 100 кВ.

Рис. 2. Спектры фотолюминесценции квантовых точек в образцах, выращенных с применением методики удаления дефектов. Применялись различные режимы 2-й ступени удаления 3. Результаты и обсуждение дефектов: 10 мин при 700C, 10 мин при 650C и 1 мин при 650C.

На рис. 1, b показаны ПЭМ изображения с торца образцов, изготовленных с применением одной и двух ступеней отжига. На верхнем снимке — образец с КТ, заращенными AlAs, после 1-й ступени удаления дефек- покрывающего слоя над крупными КТ оказывается недотов. Хорошо видно, что AlAs не полностью покрывает статочной, чтобы предохранить точки от испарения. Таслой КТ. При этом области без КТ (смачивающий слой) ким образом, 2-я ступень отжига при температуре 700C и некоторые КТ, отвечающие когерентному изоперио- может приводить к частичному испарению КТ, несмотря дическому росту, заращиваются AlAs. Крупные КТ с на наличие покрывающего слоя. Уменьшение плотности дислокациями остаются незаращенными слоем AlAs. КТ может приводить к ослаблению фотолюминесценции На нижнем снимке видно, что вследствие 2-й ступе- КТ. В то же время улучшение кристаллической струкни отжига часть КТ (которые оказались непокрытыми туры в процессе удаления дефектов должно усиливать слоем AlAs) замещается материалом AlAs. Во время интенсивность ФЛ КТ. Эти два конкурирующих эффекта отжига может происходить частичная интердиффузия могут не разрешаться при исследовании ФЛ переходов материалов InAs и GaAs, а также частичное испарение в электронов в КТ.

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.