WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 10 Исследование перехода от двумерного к трехмерному росту в системе InAs/GaAs с помощью дифракции быстрых электронов на отражение © Г.Э. Цырлин, Н.П. Корнеева, В.Н. Демидов, Н.К. Поляков, В.Н. Петров, Н.Н. Леденцов Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, 198103 Санкт-Петербург, Россия Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 18 апреля 1997 г. Принята к печати 23 апреля 1997 г.) С помощью специально разработанной системы регистрации и анализа картин дифракции быстрых электронов на отражение исследована динамика перехода от двухмерного к трехмерному механизму роста в гетероэпитаксиальной системе InAs/GaAs. Впервые анализ динамики изменения картин дифракции был использован для изучения кинетики образования квантовых точек. Обнаружен временной сдвиг на динамических зависимостях интенсивности дифракции на картинах, снятых при различных дифракционных углах, объясняемый различными размерами трехмерных островков на начальной стадии распада псевдоморфного слоя. При определенных условиях выращивания квантовых точек InAs/GaAs наблюдалось появление рефлексов, наклоненных на 45 по отношению к основным. Это свидетельствует об упорядочении островков в кристаллографических направлениях [001] и [010].

1. Введение 2. Метод эксперимента В настоящее время наблюдается значительный инте- Для проведения исследования методом ДБЭО мы рес к формированию полупроводниковых наноструктур сконструировали систему регистрации и анализа картин ДБЭО, работающую в реальном масштабе времени с непосредственно при молекулярно-пучковой эпитаксии дискретностью 40 нс [11]. Система включает в себя (МПЭ) [1–3]. Одним из наиболее перспективных путей чувствительную видеокамеру, соединенную через инсоздания квантовых точек, как объектов с ограничением терфейс с компьютером и видеомагнитофоном. Продвижения зарядов по всем 3 направлениям, является гетероэпитаксиальный рост в рассогласованных систе- граммное обеспечение системы позволяет анализировать любое место на дифракционном изображении, а также мах, например в системе InAs/GaAs [4–10]. В данном изменение интенсивности на картине дифракции вдоль случае для формирования квантовых точек используется выбранного направления.

эффект спонтанного распада псевдоморфного слоя на массив когерентных наноостровков на границе разде- Ростовые эксперименты производились на установке ла полупроводников различного состава с достаточно МПЭ типа ЭП1203. После выращивания буферного большим рассогласованием по параметру постоянной ре- слоя GaAs в условиях сохранения поверхностной реконшетки. В настоящее время имеется достаточно большое струкции (2 4) температура поверхности понижалась количество публикаций, в которых исследование геоме- до появления сверхструктуры (2 2) для исключения трических свойств ансамбля квантовых точек проводится десорбции атомов In. Условия роста сохранялись во с помощью трансмиссионной электронной микроскопии время всех экспериментов одинаковыми: скорость роста (ТЭМ), сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), InAs — 0.1 монослоя в секунду, отношение потоков атомно-силовой микроскопии (АСМ) и т. д. Однако все As/In — порядка 10, температура подложки для слоев эти методы не являются методами исследования поверх- арсенида индия — 470C. Использовались две разновидности in situ. На изображения, полученные по методу ности метода МПЭ: субмонослойная МПЭ (СМПЭ) [12] ТЭМ, сильное влияние оказывают поля напряжений, и субмногослойная миграционно-стимулированная эпиа информация, получаемая с помощью СТМ и АСМ, таксии (СМСЭ) [13]. При методе СМПЭ заслонка отображает структуру поверхности после закаливания источника As всегда открыта, в то время как заслонобразца. При МПЭ наиболее распространенной диа- ка источника In открывается периодически. В случае гностикой in situ контроля состояния поверхности и роста по методу СМСЭ заслонки для пучков As и In динамики ее изменения является дифракция быстрых открываются попеременно. В обоих случаях каждый электронов на отражение (ДБЭО). В данной работе цикл осаждения атомов In на поверхность составлял описаны результаты исследования методом ДБЭО ди- 0.5 монослоя (МС). Информация о состоянии поверхнамики перехода от 2-мерного к 3-мерному механизму ности контролировалась визуально на телевизионном гетероэпитаксиального роста в системе InAs/GaAs при мониторе с одновременной записью на видеомагниторазличных модификациях технологии МПЭ. фон.

Исследование перехода от двумерного к трехмерному росту в системе InAs/GaAs... 3. Результаты эксперимента и их обсуждение В результате анализа дифракционных картин установлено, что появление объемных рефлексов, соответствующих переходу от 2-мерного к 3-мерному механизму роста, происходит при большем количестве осажденного InAs в методе СМПЭ по сравнению с СМСЭ при прочих равных условиях роста. Это связано с тем, что накопление напряжения (вследствие рассогласования постоянных решетки GaAs и InAs) происходит быстрее при СМСЭ из-за более металл-стабилизированных условий роста (поверхностные реконструкции (3 1) и (1 1) для СМСЭ и СМПЭ, соответственно [14]).

Измерения интенсивности картин дифракции вдоль профиля основных рефлексов указывают на достаточно сложный механизм перехода от 2-мерного к 3-мерному механизму роста при распаде псевдоморфного слоя InAs на ансамбль островков. При СМПЭ после напыления 0.2 МС InAs картина ДБЭО становится слегка размытой и далее (в интервале 1015 МС) на картине начинает появляться объемная составляющая дифракционных рефлексов. Эта стадия роста характеризуется корругированной структурой поверхности [15]. При достижении Рис. 2. Временные зависимости интенсивности дифракционтолщины напыляемого слоя InAs критической величиной картины, снятые при углах отражения 4 (1), 5 (2) и8 (3) ны (порядка 1618 МС) картина дифракции быстро в режиме субмонослойной молекулярно-пучковой эпитаксии.

трансформируется в чисто объемные рефлексы и не изменяется вплоть до толщин, достигающих десятков МС InAs. В случае СМСЭ общая картина изменений Исследование кинетики перехода от 2-мерного к сохраняется, однако переход от размытых рефлексов к 3-мерному механизму роста показало, что существует чисто объемной картине происходит более резко. Расинтервал, в течение которого происходит образование стояние между объемными рефлексасми соответствует 3-мерных островков на поверхности. На рис. 2 приведены постоянной решетки InAs для обоих ростовых мод. На временные зависимости интенсивности ДБЭО, снятые рис. 1 представлена динамика изменения интенсивности при разных углах отражения. Как следует из рис. 2, рефлекса 0.1 СМСЭ. Момент появления островков на наблюдаются различные моменты времени, при котоповерхности, оцененной из данных ДБЭО, происходит рых интенсивность рефлексов начинает резко возрастать.

при напылении 1.6 МС с точностью 0.02 МС.

Момент насыщения интенсивности также различен для разных углов отражения. Минимум интенсивности соответствует началу перехода от 2-мерного к 3-мерному механизму роста, а насыщение наступает тогда, когда размеры островков достигают стационарных величин.

Мы связываем наблюдаемый сдвиг с различными размерами островков (по высоте и по периметру) на начальной стадии распада псевдоморфного слоя. После наступления насыщения наблюдается упорядочение размеров островков и растет лишь их поверхностная плотность.

Это подтверждается результатами СТМ и оптических исследований подобных структур [16], где увеличение количества InAs, осажденного на GaAs с 2 до 3 МС, приводило к увеличению плотности квантовых точек на поверхности, в то время как их латеральные размеры оставались прежними. Согласно данным [17,18], переход от 2- к 3-мерному механизму роста в системе InAs/GaAs Рис. 1. Динамика изменения интенсивности рефлекса (01) происходит через промежуточное образование квазив процессе субмонослойной молекулярно-пучковой эпитаксии.

трехмерных кластеров (высотой 2 4 МС), а появление Около рисунков цифрами указана толщина InAs в единицах на поверхности островков InAs проходит через стадию монослоя; стрелка показывает момент появления объемных с наибольшим разбросом по геометрическим размерам.

рефлексов.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1232 Г.Э. Цырлин, Н.П. Корнеева, В.Н. Демидов, Н.К. Поляков, В.Н. Петров, Н.Н. Леденцов При дальнейшем напылении InAs происходит стабилиза- [8] D.S.I. Mui, D. Leonard, L.A. Coldren, P.M. Petroff. Appl. Phys.

Lett., 66, 1620 (1995).

ция островков по размерам. Наши последние данные по [9] G.E. Cirlin, G.M. Guryanov, A.O. Golubok, S.Ya. Tipissev, оптическим исследованиям ансамбля InAs/GaAs, в целом N.N. Ledentsov, P.S. Kop’ev, M. Grundmann, D. Bimberg.

подтверждают эту модель гетероэпитаксиального роста и Appl. Phys. Lett., 67, 97 (1995).

находятся в согласии с данными изменения картин ДБЭО [10] G.M. Guryanov, G.E. Cirlin, V.N. Petrov, N.K. Polyakov, на начальном этапе распада псевдоморфного слоя.

A.O. Golubok, S.Ya. Tipissev, E.P. Musikhina, V.B. Gubanov, Во время ростовых экспериментов мы наблюдали Yu.B. Samsonenko, N.N. Ledentsov. Surf. Sci., 331–333, изменения в картинах ДБЭО, заключающиеся в по(1995).

явлении рефлексов, наклоненных на 45 по отношению [11] В.Б. Губанов, Г.М. Гурьянов, В.Н. Демидов, В.Г. Дубровк основным рефлексам при превышении критической ский, Н.П. Корнеева, В.Н. Петров, Н.К. Поляков, Ю.Б. Самтолщины слоя InAs. Данные изменения свидетельствуют соненко, Г.Э. Цырлин. Науч. приборостроение, 6, № 1/2, об упорядочении островков в направлениях [001] и [010].

(1996).

В соответствии с выводами из работы [19] минимум по[12] P.D. Wang, N.N. Ledentsov, C.M. Sotomayor Torres, верхностной энергии соответствует пространственному P.S. Kop’ev, V.M. Ustinov. Appl. Phys. Lett., 64, 1526 (1994).

распределению островков в виде 2-мерной квадратной [13] Г.Э. Цырлин, А.О. Голубок, С.Я. Типисев, Н.Н. Леденцов, Г.М. Гурьянов. ФТП, 29, 1697 (1995).

решетки с осями вдоль направлений [001] и [010]. Тем [14] G.M. Guryanov, G.E. Cirlin, V.N. Petrov, N.K. Polyakov, самым теоеретические результаты [19] дают качественA.O. Golubok, S.Ya. Tipissev, V.B. Gubanov, ное объяснение динамики картин ДБЭО. Данные исслеYu.B. Samsonenko, N.N. Ledentsov, V.A. Shchukin, дований подобных структур по методам ТЭМ и СТМ M. Grundmann, D. Bimberg, Zh.I. Alferov. Surf. Sci., также подтверждают, что островки располагаются в виде 352–354, 651 (1996).

2-мерной периодической решетки [5,16].

[15] G.M. Guryanov, G.E. Cirlin, A.O. Golubok, S.Ya. Tipissev, N.N. Ledentsov, V.A. Shchukin, M. Grundmann, D. Bimberg, Zh.I. Alferov. Surf. Sci., 352–354, 646 (1996).

4. Заключение [16] G.E. Cirlin, V.N. Petrov, N.K. Polyakov, V.N. Demidov, N.P. Korneeva, A.O. Golubok, S.Ya. Tipissev, V.G. Dubrovskii, Таким образом, приведенные результаты свидетельG.M. Guryanov, M.V. Maximov, N.N. Ledentsov, D. Bimberg.

ствуют о том, что изучение ДБЭО является методом, Abstracts Int. Symp. ”Nanostructures: physics and позволяющим точно in situ контролировать момент technology 96” (St.Petersburg, Russia, 1996) p. 375.

перехода от 2-мерного к 3-мерному механизму роста, [17] N.P. Kobayashi, T.R. Ramachandran, P. Chen, A. Madhukar.

в частности при гетероэпитаксиальном росте в системе Appl. Phys. Lett., 68, 3299 (1996).

InAs/GaAs. Исследования динамики изменения картин [18] T.R. Ramachandran, R. Heitz, P. Chen, A. Madhukar. Appl.

ДБЭО подтверждают, что кинетика роста оказывает знаPhys. Lett., 70, 640 (1997).

чительное влияние на эволюцию морфологии поверхно[19] V.A. Shchukin, N.N. Ledentsov, M. Grundmann, P.S. Kop’ev, сти на начальной стадии роста.

D. Bimberg. Surf. Sci., 352–354, 117 (1996).

Данная работа выполнена при частичной поддержРедактор Т.А. Полянская ке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 95-02-05084-a), фонда Ассоциации INTAS (грант № 94-1028) и научной программы ”Физика твердотельных наноструктур”.

Список литературы [1] Y.-W. Mo, B.S. Swartzentruber, R. Kariotis, M.B. Webb, M.G. Lagally. Phys. Rev. Lett., 63, 2393 (1989).

[2] R. Ntzel, N.N. Ledentsov, L. Dweritz, M. Hohenstein, K. Ploog. Phys. Rev. Lett., 67, 3812 (1991).

[3] J. Tersoff, R.M. Tromp. Phys. Rev. Lett., 70, 2782 (1993).

[4] L. Goldstein, F. Glas, J.Y. Marzin, M.N. Charasse, G. Le Roux.

Appl. Phys. Lett., 47, 1099 (1985).

[5] M. Grundmann, J. Christen, N.N. Ledentsov, J. Bhrer, D. Bimberg, S.S. Ruvimov, P. Werner, U. Richter, U. Gsele, J. Heydenreich, V.M. Ustinov, A.Yu. Egorov, A.E. Zhukov, P.S. Kop’ev, Zh.I. Alferov. Phys. Rev. Lett., 74, 4043 (1995).

[6] R. Leon, S. Fafard, D. Leonard, J.I. Merz, P.M. Petroff. Phys.

Rev. B, 50, 11 687 (1994).

[7] N. Kirstaedter, N.N. Ledentsov, M. Grundmann, D. Bimberg, V.M. Ustinov, S.S. Ruvimov, M.V. Maximov, P.S. Kop’ev, Zh.I. Alferov, U. Richter, P. Werner, U. Gsele, J. Heydenreich.

Electron. Lett., 30, 1416 (1994).

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Исследование перехода от двумерного к трехмерному росту в системе InAs/GaAs... Transition from two- to three–dimensional InAs/GaAs growth studied with reflection high-energy electron diffraction G.E. Cirlin, N.P. Korneeva, V.N. Demidov, N.K. Polyakov, V.N. Petrov, N.N. Ledentsov Institute for Analytical Instrumentation, Russian Academy of Sciences, 198103 St.Petersburg, Russia A.F.Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St.Petersburg, Russia

Abstract

Using a specially designed reflection high-energy electron diffraction (RHEED) system, the 2D-3D transition during InAs/GaAs heteroepitaxial growth is studied. For the first time the dynamics of RHEED patterns is used for a detailed analysis of the kinetics of quantum dots formation. It is found that there is a shift in time-dependent reflection intensity curves which is explained by different lateral sizes of 3D islands at the initial stage of pseudomorphic layer decomposition. At appropriate growth conditions the tilted streaks making 45 angle with the main streaks are observed on RHEED patterns during InAs/GaAs quantum dots formation, which indicates an ordering of the islands in rows along [001] and [010] directions.




© 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.