WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 10 Неравновесный характер распределения носителей при комнатной температуре в квантовых точках InAs, покрытых тонкими слоями AlAs/InAlAs © Н.В. Крыжановская+¶, А.Г. Гладышев+, С.А. Блохин+, М.В. Максимов+, Е.С. Семенова+, А.П. Васильев+, А.Е. Жуков+, Н.Н. Леденцов+,, В.М. Устинов+, Д. Бимберг + Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Institut fr Festkrperphysik, Technische Universitt, D-10623 Berlin, Germany (Получена 16 февраля 2005 г. Принята к печати 7 марта 2005 г.) Исследовались оптические свойства квантовых точек в матрицах GaAs или Al0.3Ga0.7As, полученных путем последовательного заращивания начальных островков InAs, сформированных в режиме роста Странского– Крастанова, тонкими слоями AlAs и InAlAs. Показано, что в массивах таких квантовых точек отсутствует транспорт носителей между квантовыми точками в диапазоне температур от 10 до 300 K и реализуется неравновесное распределение носителей. Подавление температурных выбросов носителей из квантовых точек обусловлено увеличением энергетического зазора между уровнями основного и возбужденного состояний, отсутствием уровня смачивающего слоя, а также увеличением энергии локализации носителей в квантовых точках относительно состояний континуума в случае использования матрицы Al0.3Ga0.7As.

1. Введение приборов на их основе. В настоящее время наибольшее количество публикаций посвящено исследованию массиИсследование методов и способов управления про- вов КТ в системе InAs/GaAs (001), полученных методом цессами формирования массивов самоорганизующихся молекулярно-пучковой эпитаксии. Среди существующих квантовых точек (КТ), позволяющих контролировать методов управления формой и энергетическим спектром такие параметры КТ, как их плотность, размеры, форма КТ можно перечислить следующие: непосредственное и соответственно энергетический спектр, является чрезизменение основных технологических параметров при вычайно важным и с точки зрения детального изучения осаждении КТ (изменение температуры подложки, скопроцессов самоорганизации в процессе роста, и для рости роста, давления мышьяка в ростовой камере, применения квантовых точек в современных полупроиспользование остановок роста) [4]; использование разводниковых приборах, например, лазерах. Известно, что личных подслоев и методик заращивания КТ. Наприодним из факторов, определяющих низкую температурмер, в работе [5] показана возможность независимого ную стабильность характеристик лазеров на КТ, являуправления плотностью и размерами КТ верхнего слоя ется сильная температурная зависимость оптического при использовании синфазной корреляции с КТ нижнего усиления. Это обусловлено температурным выбросом слоя. В работе [6] описана методика увеличения объема носителей из основного в возбужденные состояния КТ, КТ с сохранением их плотности, основанная на эффекте смачивающий слой или матрицу. В то же время при активированного распада твердого раствора в процессе низких температурах выбросы носителей из состояний заращивания квантовых точек InGaAlAs. Эффективным КТ подавлены, при этом формируется неравновесное технологическим приемом, позволяющим контролирораспределение носителей по состояниям массива КТ [1], вать объем и форму КТ InAs, является заращивание КТ значение порогового тока не зависит от температуры тонким слоем AlAs. Осаждение AlAs на КТ приводит (характеристическая температура T0 ), кроме ток вытеснению атомов In из смачивающего слоя InAs, го, существенно увеличивается быстродействие лаземиграции этих атомов к квантовым точкам и вследствие ров на КТ [2]. Например, при 80 K в лазере с КТ этого к увеличению их высоты [7].

было получено значение ширины полосы модуляции В данной работе представлены результаты исследоваf (-3дБ) =30 ГГц [3], в то время как при комнатной ния оптических свойств КТ, полученных комбинацитемпературе значение не превышало 8 ГГц. Для повышеей описанных выше технологических подходов [7–10]:

ния температурной стабильности характеристик лазеров островки InAs, сформированные в режиме роста существенным является сохранение условий неравновесСтранского–Крастонова, последовательно заращивались ного распределения носителей по состояниям массива тонкими слоями AlAs и InAlAs. Квантовые точки форКТ, в частности, с помощью увеличения энергетического мировались как в матрице GaAs, так и в Al0.3Ga0.7As.

интервала между основным и первым возбужденным В работе проведено также сравнение их оптических состояниями. Поэтому разработка методов, позволяюсвойств со свойствами традиционных КТ InAs, покрытых щих контролировать энергетический спектр КТ, являетслоем In0.15Ga0.85As. Методами спектроскопии возбуся весьма перспективной для улучшения характеристик ждения фотолюминесценции (ФЛ) и фотолюминесцен¶ E-mail: kryj@mail.ioffe.ru ции при резонансном возбуждении исследованы мехаНеравновесный характер распределения носителей при комнатной температуре... низмы релаксации носителей в основное состояние КТ смачивающему слою (WL), а в случае структуры B — и зависимости оптических свойств от температуры в квантовой яме (QW), образованной смачивающим слодиапазоне от 10 до 300 K. ем и слоем In0.15Ga0.85As. Линия основного состояния структуры B сдвинута в длинноволновую сторону на 70 мэВ по сравнению со структурой A. Сдвиг линии 2. Эксперимент ФЛ КТ в сторону больших длин волн при осаждении на КТ слоя In0.15Ga0.85As (структура B) достаточно хоВсе структуры были выращены методом молекулярнорошо исследован [6,12,13] и объясняется рядом причин.

пучковой эпитаксии в установке Riber 32P с твердотельОсновной причиной считается активированный распад ным источником мышьяка на подложках GaAs n-типа твердого раствора Inx Ga1-xAs над точками, приводящий проводимости. Структуры состоят из 3 слоев с КТ, к увеличению объема КТ и уменьшению напряжений которые помещены в середину слоя GaAs (структувокруг них. В процессе заращивания атомам индия энерры A, B, C) или Al0.3Ga0.7As (структура D), огранигетически более выгодно диффундировать по направлеченного со стороны подложки и поверхности барьению к квантовым точкам, параметр решетки которых рами. Между слоями с КТ осаждали 25 нм материала ближе к параметру решетки InAs, тогда как атомам Ga матрицы. Температура подложки при осаждении КТ и энергетически более выгодно диффундировать к облапокрывающих слоев составляла 485C, при росте всех стям между квантовыми точками, где параметр решетки остальных частей структуры — 600C. В исследованближе к параметру решетки GaAs. Этот процесс ведет ных структурах слои с квантовыми точками формик эффективному увеличению резмеров начальных КТ и ровались с помощью осаждения 2.3 монослоев (МС) соответственно к длинноволновому сдвигу линии ФЛ.

InAs и различных покрывающих слоев. В структуре A При последовательном осаждении на островки InAs КТ покрывались слоем GaAs. В структуре B после тонких слоев AlAs и InAlAs (структура C) также наформирования точек InAs проводилось осаждение слоя блюдается сдвиг спектра ФЛ в длинноволновую сторону In0.15Ga0.85As толщиной 4 нм, в структуре C осаждались по сравнению с исходной структурой (A) [7–10]. Как от2МС AlAs и 4нм InxAl1-xAs с мольной долей арсенида мечалось ранее, при осаждении на КТ тонкого слоя AlAs индия 25%. В структуре D слои с КТ и покрывающие происходит увеличение объема КТ. При дальнейшем слои формировались так же, как в структуре C, но в заращивании точек InxAl1-xAs происходит активированматрице Al0.3Ga0.7As.

ный распад твердого раствора InxAl1-xAs аналогично Фотолюминесценция структур возбуждалась Ar+-ласлучаю заращивания InxGa1-x As, приводящий к тому, зером, работающим в непрерывном режиме (мощность излучения W = 1-1500 Вт/см2, длина волны = 514 нм), или YAG : Nd-лазером, работающим на второй гармонике в импульсном режиме (W = 10 МВт/см2, = 532 нм). Для исследований ФЛ в температурном диапазоне T = 10-300 K образцы помещались в гелиевый криостат замкнутого цикла, для исследований при температурах 300-500 K образцы монтировались на медный держатель термостата. Исследования спектров возбуждения люминесценции (СВЛ) и резонансной ФЛ проводились при возбуждении светом галогеновой лампы накаливания, пропущенным через монохроматор. Образцы монтировались в гелиевый криостат проточного типа. Детектирование сигнала производилось с помощью монохроматора и охлаждаемого германиевого диода.

3. Основная часть Спектры ФЛ структур, полученные при возбуждении второй гармоникой YAG : Nd-лазера, работающего в импульсном режиме (плотность мощности в импульсе 10 МВт/см2), приведены на рис. 1. Использование высокой плотности оптической накачки позволяет оценить кристаллическое качество структуры [11] и энергетический спектр состояний. В спектрах всех структур помимо линии, связанной с рекомбинацией через основное состояние КТ, наблюдаются максимумы, соответствующие излучению из возбужденных состояний КТ и матрицы GaAs. В спектрах структур A и B также наблюда- Рис. 1. Спектры фотолюминесценции (PL) структур при 300 K ется максимум, соответствующий в случае структуры A и возбуждении YAG : Nd-лазером с W = 10 МВт/см2.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1232 Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев, С.А. Блохин, М.В. Максимов, Е.С. Семенова, А.П. Васильев...

Данный спад наблюдается до температуры 200 K. Дальнейшее увеличение температуры приводит к полностью равновесному распределению носителей между точками и постепенному термическому заселению точек малого размера.

Для структур C и D значение ширины линии ФЛ практически не изменяется во всем диапазоне температур.

Падение интегральной интенсивности с увеличением температуры до 300 K для этих структур на порядок меньше, чем для структур A и B (рис. 2, вставка). Очевидно, это связано с подавлением механизмов термичеРис. 2. Зависимости ширины линий основного состояния КТ от температуры для структур A, B, C, D. На вставке — зависимости интегральной интенсивности от температуры для этих структур. Возбуждение ФЛ излучением Ar+-лазера, W = 1Вт/см2.

что область вблизи и над КТ оказывается обогащенной In и обедненной Al [8]. В результате этого происходит еще большее увеличение объема КТ и соответствующее увеличение энергетического зазора между уровнями основного и первого возбужденного состояний ( ).

ex Интересно отметить, что увеличение ширины запрещенной зоны матрицы в случае использования матрицы Al0.3Ga0.7As (структура D) не приводит к коротковолновому сдвигу линии ФЛ КТ. По всей видимости, это обусловлено сильной локализацией волновых функций электронов и дырок основного состояния в КТ и их слабым проникновением в материал матрицы и отсюда слабой „чувствительностью“ к ширине ее запрещенной зоны.

Исследования оптических свойств структур проводились в диапазоне температур T = 10-500 K при возбуждении Ar+-лазером (W = 1Вт/см2). На рис. 2 приведены зависимости ширины на полувысоте (FWHM) линий основного состояния КТ от температуры. Для структур A и B ход полученных зависимостей является типичным и объясняется процессами перераспределения носителей между квантовыми точками [14]. При низких температурах носители распределены случайным образом по состояниям массива КТ и при достаточно низких плотностях возбуждения спектр ФЛ отражает спектр энергий основных состояний массива КТ [15].

При температурах < 50 K величина FWHM практически не изменяется. С увеличением температуры становится возможным выброс носителей из КТ малого размера со сравнительно слабой локализацией носителей и дальнейший захват через уровень смачивающего слоя Рис. 3. Спектры фотолюминесценции (PL, тонкая линия) и (или матрицы) в КТ большего размера. Этот процесс спектры возбуждения люминесценции (PLE, толстая линия) приводит к подавлению люминесценции небольших КТ структур B, C, D при 7 K. Возбуждение ФЛ излучением и соответствующему уменьшению ширины спектра ФЛ. Ar+-лазера.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Неравновесный характер распределения носителей при комнатной температуре... ского перераспределения носителей между квантовыми поглощением в смачивающем слое (WL) и квантовой точками и выброса носителей в матрицу. Необходимо яме (QW), наблюдаются лишь с структуре B. При энеротметить, что энергия локализации, определяемая как гиях возбуждения менее 1.35 эВ в СВЛ всех структур разность ширины запрещенной зоны матрицы и энергии наблюдаются серии резонансов, связанных с поглощениосновного перехода в КТ, для структур B и C одинакова.

ем на возбужденных состояниях КТ и с LO-фононной Таким образом, температурная стабильность значения релаксацией носителей в основное состояние [16]. Лиширины линии в структурах C и D возникает вследствие нии, эквидистантно отстоящие от энергии регистрации существования барьеров AlAs/InAlAs, отсутствия уровня СВЛ, относительное положение которых не изменялось смачивающего слоя и большего энергетического зазора при изменении EDET вдоль контура линии ФЛ, соотмежду уровнями основного и возбужденного состояний.

ветствуют фононным резонансам 1 LO, 2 LO и 3 LO.

На рис. 3 представлены спектры ФЛ (Ar+-лазер, Во всех структурах наблюдаются фононные линии, коW = 1.5 кВтсм2) и СВЛ структур B, C, D при T = 7K.

торые отстоят друг от друга на энергию 32 мэВ, что Энергии регистрации сигнала (EDET) при детектиросоответствует энергии фонона КТ InAs. Энергия фонона вании СВЛ указаны стрелками. Линии, связанные с в КТ может незначительно отличаться от 32 мэВ, так как на нее влияет распределение напряжений внутри КТ [17]. Видно, что при заращивании КТ тонким слоем In0.15Ga0.85As (структура B) величина составляет ex 82 мэВ, а при покрытии КТ слоями AlAs/In0.25Al0.75As увеличивается до 105 и 115 мэВ (структуры C ex и D). Помимо LO-линий КТ InAs, в структурах C и D наблюдаются фононные резонансы с энергией между ними 40 мэВ, что соответствует LO-фононной моде слоя Inx Al1-xAs (LO).

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.