WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 9 Оптические и структурные свойства твердых растворов InGaAsP, полученных способом МОС-гидридной эпитаксии на подложках GaAs(001) в области несмешиваемости © Л.С. Вавилова, Д.А. Винокуров, В.А. Капитонов, А.В. Мурашова, В.Н. Неведомский, Н.К. Полетаев, А.А. Ситникова, И.С. Тарасов¶, В.В. Шамахов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 16 января 2003 г. Принята к печати 21 января 2003 г.) Исследованы оптические и структурные своqства твердых растворов InGaAsP, выращенных при температуре 600C на подложках GaAs(001) способом МОС-гидридной эпитаксии. Слои твердых растворов InGaAsP, соответствующих по составу области несмешиваемости, содержат в спектрах фотолюминесценции две полосы: основную и дополнительную. Установлено, что обе полосы обусловлены межзонными излучательными переходами, т. е. внутри слоя находятся два твердых раствора с разными составами и запрещенными зонами. Показано, что смещение максимума дополнительной полосы в сторону высоких энергий при увеличении уровня возбуждения вызвано квантовыми размерами доменов соответствующего состава. Данный вывод согласуется с результатами просвечивающей электронной микроскопии, изучение изображений таких образцов обнаружило в них наличие периодической структуры, состоящей из чередующихся доменов с разным составом твердого раствора. Чередование доменов распространяется вдоль направлений [100] и [010] с характерным периодом 10 нм.

1. Введение 2. Экспериментальные образцы Экспериментальные образцы были получены спосоВ течение последних десятилетий система твердых бом МОС-гидридной эпитаксии на подложках GaAs(001) растворов In–Ga–As–P широко и успешно используется при температуре 600C. Они представляли собой двухдля изготовления оптоэлектронных приборов: лазеров слойные структуры: на подложках GaAs(001) выращии светодиодов. Вместе с тем хорошо известно о сувался слой тройного твердого раствора In0.47Ga0.53P, ществовании в этой системе довольно протяженной а затем слой четверного твердого раствора InGaAsP.

области несмешиваемости. Слои твердых растворов, Предполагаемые составы твердых растворов InGaAsP выращенных в области несмешиваемости, имеют униизменялись вдоль изопериодической с GaAs прямой.

кальные особенности в оптических, электрических [1,2] Толщины слоев находились в пределах 300–500 нм.

и структурных свойствах [3,4], что отличает их от Изучение оптических свойств экспериментальных ободнородных твердых растворов и указывает на наличие разцов заключалось в анализе их спектров фотолюнового сложного объекта — периодической доменной минесценции, полученных при разных температурах структуры. Несмотря на ряд интересных публикаций, и уровнях возбуждения. Структура эпитаксиальных слопосвященных этой теме, процессы кристаллизации тверев InGaAsP исследовалась на просвечивающем элекдых растворов InGaAsP, а также свойства периодитронном микроскопе PHILIPS EM 420 с ускоряющим ческих доменных структур остаются на сегодняшний напряжением 80–120 кВ. На сканирующем электронном день мало изученными. По-видимому, такое положение микроскопе CamScan S4-90FE исследовались поверхобъясняется тем, что самоорганизация полупроводниконость и сколы образцов. Границы слоев на сколах вых доменных структур — довольно новое направлепредварительно выявлялись в сернокислотном травитение для исследований в современной физике твердого ле H2SO4 : H2O2 : H2O (1: 1: 50) в течение 1 мин.

тела.

В настоящей работе мы продолжали начатые ранее [5–8] исследования свойств эпитаксиальных пленок 3. Экспериментальные результаты твердых растворов InGaAsP, полученных в области и их обсуждение несмешиваемости. Сочетание нескольких исследовательских методик — фотолюминесценции (ФЛ), просве- Из литературных данных и наших предыдущих чивающей и сканирующей электронной микроскопии работ [1,5,9] следует, что в интервале общеприня(ПЭМ и СЭМ) — позволило в совокупности опи- тых температур роста 650-800C твердых раствосать оптические и структурные характеристики таких ров In1-xGax As1-y Py на подложках GaAs(001) область слоев. несмешиваемости охватывает составы 0.5 < y < 0.95, лежащие на изопериодической с GaAs прямой. О несме¶ E-mail: tarasov@hpld.ioffe.ru шиваемости компонент твердого раствора судят прежде Оптические и структурные свойства твердых растворов InGaAsP, полученных способом... То, что основная полоса обусловлена межзонными излучательными переходами, также подтверждается ее поведением при увеличении температуры от 2 до 300 K.

С возрастанием температуры происходит асимметричное уширение полосы со стороны высоких энергий (рис. 2, a). На вставке к рис. 2, a приведены спектры основной полосы при 2, 77 и 300 K, совмещенные за счет сдвига кривых при 77 и 300 K по энергии на величину температурного изменения ширины запрещенной зоны.

Данная процедура позволяет убедиться в практически полном совпадении низкоэнергетического спада спектров и явном уширении полосы в сторону высоких Рис. 1. Спектр ФЛ твердого раствора InGaAsP, выращенного при 600C на подложке GaAs(001) способом МОС-гидридной эпитаксии (образец X2536). Измерения проводились при температуре 77 K и уровне возбуждения 0.5 кВт/см2. Предполагаемый состав твердого раствора x = 0.65, y = 0.7 находится в области несмешиваемости при выбранной температуре роста. Цифрами I и II обозначены соответственно основная и дополнительная полосы.

всего по определенным особенностям в характеристиках выращенных слоев — уширение полосы краевого излучения в спектре ФЛ, уменьшение подвижности носителей заряда, изменение морфологии поверхности и т. п. Совокупность таких данных указывает на некоторые неоднородности состава твердого раствора внутри эпитаксиального слоя.

Наиболее интересной особенностью, которую мы наблюдаем в оптических свойствах слоев твердых растворов InGaAsP, выращенных в области несмешиваемости на подложках GaAs(001), является присутствие дополнительной полосы в спектрах ФЛ. В работах [1,9,10] был описан такой тип спектров, но в них не дана четкая физическая интерпретация дополнительного пика. В качестве примера спектр, состоящий из двух полос, представлен на рис. 1 для эпитаксиального слоя твердого раствора In1-xGax As1-yPy с предполагаемым составом x = 0.65, y = 0.7. При выбранной температуре роста 600C данный состав находится в области несмешиваемости. Как видно из рис. 1, наряду с полосой, соответствующей запрещенной зоне твердого раствора предполагаемого состава (h1 = 1.81 эВ), присутствует вторая полоса, лежащая в низкоэнергетической области спектра (h2 = 1.59 эВ). В дальнейшем будем называть эти полосы соответственно основной и дополниРис. 2. Измеренные при разных температурах спектры ФЛ тельной.

твердого раствора InGaAsP, выращенного в области несмешиКак характерно для краевого излучения [10], половаемости (образец X2536): a — основная полоса, b — дополжение максимума основной полосы не меняется при нительная полоса; T, K: 1 —2, 2 — 77, 3 — 200. Спектры на увеличении уровня возбуждения от 0.05 до 2.5кВт/см2. рис. a и b нормированы на максимум сигнала.

6 Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1106 Л.С. Вавилова, Д.А. Винокуров, В.А. Капитонов, А.В. Мрашова, В.Н. Неведомский...

мых в эксперименте уровнях возбуждения такая ситуация может иметь место, если только домены узкозонного материала имеют квантовые размеры. К такому выводу приводят следующие рассуждения.

Как известно, уменьшение квантовой эффективности люминесценции в двойных гетероструктурах на основе твердых растворов InGaAsP, происходящее при увеличении уровня возбуждения, связывают с оже-рекомбинацией, которая начинает конкурировать с излучательным каналом рекомбинации [11,12]. Простые оценочные расчеты показывают, что скорость оже-рекомбинации (GA = Rn3) становится сравнимой со скоростью межзонной излучательной рекомбинации (Gr = Bn2) [11] при значениях концентрации неравновесных носителей заряда n 1020 см-3 (300 K) для нелегированных твердых растворов InGaAsP с шириной запрещенной зоны 1.2-1.9 эВ. Для оценок нами использовались значения коэффициентов оже-рекомбинации R и излучательной Рис. 3. Измеренные при температуре 77 K и разных уроврекомбинации B в объемном материале, приведенные нях возбуждения спектры ФЛ твердого раствора InGaAsP, в работах [11–15]. Учитывая сказанное выше, можно выращенного в области несмешиваемости (образец X2536).

оценить уровень возбуждения, при котором реализуется Уровень возбуждения: 1 — 0.05, 2 — 0.2, 3 — 0.5, описанная ситуация, объясняющая насыщение интенсив4 —2.5 кВт/см2. Цифрами I и II обозначены соответственно основная и дополнительная полосы. ности полосы фотолюминесценции. Поскольку в стационарном состоянии темп генерации неравновесных носителей можно считать равным темпу рекомбинации при условии, что концентрация неравновесных носитеэнергий при увеличении температуры. Такое уширение лей значительно превышает ее равновесное значение полосы свойственно краевому излучению, поскольку (n n0), справедливо следующее соотношение:

происходит вследствие температурного изменения рас n · V · 1/ = I0 1 - exp(- · d) · S0, (1) пределения свободных носителей в зонах. Следует отметить, что со стороны высоких энергий спад спектров где n — концентрация неравновесных носителей, отклоняется от распределения Максвелла. Кроме того, V = S0 · d — объем засвеченного материала, —полширина основной полосы несколько превышает теоное время жизни носителей заряда (1/ = 1/r + 1/A, ретические оценки. Подобные факты свидетельствуют r = 1/Bn и A = 1/Rn2), I0 — интенсивность возбуо флуктуациях состава твердого раствора, как показано ждающего излучения, — коэффициент поглощения, в работе [1].

d — толщина слоя, S0 — площадь пятна засветки.

Аналогичное поведение в зависимости от температуВ рассматриваемом случае, когда Gr = GA, что соответры демонстрирует и дополнительная полоса. Как видно ствует n 1020 см-3, время излучательной рекомбинаиз рис. 2, b, при увеличении температуры происходит ции r и время безызлучательной оже-рекомбинации A такое же асимметричное уширение полосы со стороны равны. При дальнейшем возрастании концентрации высоких энергий, какое наблюдается в случае основного неравновесных носителей оже-рекомбинация будет препика. Это позволяет сделать заключение о том, что обладать. Используя типичные значения параметров дополнительная полоса тоже обусловлена межзонныполупроводников R 10-30-10-31 см6сек-1 [11–15], ми излучательными переходами. Следовательно, вну 105 см-1 [16,17] и экспериментальное значение три слоя InGaAsP присутствуют два твердых раствора d 0.5 мкм, получаем, что значение I0, при котором с разными составами и запрещенными зонами. Однако начинается насыщение интенсивности полосы краевого в отличие от основной полосы максимум дополнительизлучения в спектре ФЛ объемного полупроводника, ного пика сдвигается в сторону высоких энергий при должно составлять приблизительно 1024-1025 см-2с-1.

увеличении уровня возбуждения, что показано на рис. 3.

Максимальный уровень возбуждения P, используеПри этом интегральная интенсивность дополнительной мый нами в экспериментах, составлял 8 кВт/см2, полосы возрастает медленнее, чем основной. В случае что позволяет определить интенсивность возбуждения некоторых образцов можно даже наблюдать, как при для аргонового лазера с длиной волны = 488 нм достаточно больших уровнях возбуждения в их спектрах и соответственно энергией фотонов E = 2.54 эВ, как вместо двух отчетливо различимых полос остается ши- I 0 = P/E 1022 см-2с-1. Это значение меньше величирокая основная полоса с „хвостом“, сильно затянутым ны I0, полученной из выражения 1, в 103 раз, откуда в область низких энергий, т. е. происходит насыщение следует, что при наших условиях эксперимента невозинтенсивности дополнительного пика. При используе- можно наблюдать насыщение интенсивности полосы Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Оптические и структурные свойства твердых растворов InGaAsP, полученных способом... связывают с модуляцией параметра решетки, а значит, и состава твердого раствора, поскольку распределение контраста на изображении в рефлексе 220 отражает распределение напряжений в образце. Другими словами, слой состоит из чередующихся доменов с разными составами и параметрами решетки твердого раствора.

Расстояния, на которых происходит изменение свойств твердого раствора, позволяют рассматривать домены как квантово-размерные объекты. Наличие квантоворазмерных доменов внутри исследуемого слоя объясняет наблюдаемое поведение дополнительной полосы в его спектре ФЛ при увеличении уровня возбуждения. То, что основная полоса не меняет своего положения и не деРис. 4. Темнопольное ПЭМ-изображение (g = 220) планарномонстирует насыщения интенсивности при увеличении го сечения (001) слоя твердого раствора InGaAsP, выращенноуровня возбуждения, говорит о присутствии широкозонго в области несмешиваемости (образец X2536).

ного твердого раствора внутри слоя не только в виде квантово-размерных доменов, но и в виде объемного материала. Это заключение не входит в противоречие с данными ПЭМ, поскольку изображение получено от тонкой верхней части образца толщиной 50–100 нм и не дает полной информации о слое, толщина которого в целом составляет 300–500 нм.

Помимо периодического мелкомасштабного контраста на ПЭМ-изображении присутствует непериодический крупномасштабный контраст в виде зерен с размерами около 100 нм. Изучение образца на СЭМ показало наличие рельефа такого же типа на поверхности исследуемого слоя, как видно из рис. 5. Это позволяет предположить, что контраст в виде зерен на ПЭМ-изображении обусловлен рельефом на поверхности слоя. Однако природа крупномасштабного контраста окончательно не Рис. 5. Полученное на СЭМ-изображение поверхности слоя твердого раствора InGaAsP, выращенного в области несме- выяснена, поэтому возможны и другие причины, дающие шиваемости (образец X2536). Угол поворота образца вокруг вклад в формирование этого контраста. Тем не менее оси [110] составляет 20.

в результате выполненных исследований установлено, что особенности в спектрах ФЛ эпитаксиальных пленок InGaAsP, выращенных в области несмешиваемости на подложках GaAs(001), связаны именно с мелкомасштабмежзонного излучения от объемного полупроводника ным контрастом на их ПЭМ-изображениях.

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.