WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 10 Нестационарная спектроскопия глубоких уровней в лазерных структурах InAs/GaAs с вертикально связанными квантовыми точками © М.М. Соболев, А.Р. Ковш, В.М. Устинов, А.Ю. Егоров, А.Е. Жуков, М.В. Максимов, Н.Н. Леденцов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 6 марта 1997 г. Принята к печати 19 марта 1997 г.) Сообщается о проведенных исследованиях структур InAs/GaAs с вертикально связанными квантовыми точками, встроенными в активную область лазерного диода, методами нестационарной спектроскопии глубоких уровней (DLTS) и исследованиях вольт-фарадных характеристик. Обнаружено, что в зависимости от температуры предварительного изохронного отжига образца Ta < Tac = 245 K или Ta > Tac и условий охлаждения — с напряжением смещения Vb = 0 или приложенным импульсом заполнения Vf > 0 — спектр DLTS претерпевает существенные изменения. Они связываются с проявлением эффекта кулоновского взаимодействия носителей, захваченных в квантовую точку, с точечными дефектами, локализованными в ближайших окрестностях квантовых точек, а также с образованием диполя, возникающего при Ta < Tac и охлаждении при Vf > 0, или с его отсутствием при Ta > Tac и Vb = 0. Обнаружено, что в диполе происходит туннелирование носителей с более глубоких состояний дефектов на более мелкие состояния квантовых точек с последующей их эмиссией в зоны.

1. Введение стояниями [3]. Этот метод с успехом был применен для изучения квантовых ям [4,5]. Впервые возможности В последнее время наблюдается повышенный интеэтого метода для исследования КТ были продемонстрирес к исследованию гетероструктур с пространственным рованы в работе [6]. Другим методом, который успешно ограничением носителей в трех измерениях [1]. Такие применяется для выявления КТ и определения ряда структуры представляют значительный интерес с точки электрофизических параметров, является вольт-фарадзрения их фундаментальных свойств, а также являются ная спектроскопия (C-V) [7].

весьма перспективными для применения их в оптоэлекВ данной работе методами C-V и DLTS проведены тронике. В работе [1] было теоретически предсказано поисследования гетеролазерных структур с активной обланижение пороговой плотности тока лазера и значительстью на основе массива вертикально-связанных квантоное увеличение ее температурной стабильности. К навых точек InAs/GaAs. Было обнаружено, что в спектрах стоящему времени нам удалось реализовать генерацию DLTS присутствуют как пики, связанные с глубокими излучения через основное состояние квантовых точек состояниями известных дефектов и примесей, так и вплоть до комнатной температуры в инжекционных гес состояниями квантовых точек. Впервые обнаружен теролазерах с активной областью на основе вертикально эффект кулоновского взаимодействия носителей, локасвязанных квантовых точек (In, Ga)As/GaAs. Рекордная лизованных в КТ и на глубоких состояниях примесей и пороговая плотность тока подобного лазера при комдефектов. Выявлены эффекты туннелирования носителей натной температуре составила 100 А/см2 [2]. Вместе между состояниями в вертикально связанном массиве КТ с тем специфические условия выращивания квантовых и глубокими состояниями примесей и дефектов.

точек (КТ) и прежде всего низкая температура роста слоя GaAs, прикрывающего точки, стимулируют генерацию точечных дефектов вблизи КТ, которые действуют 2. Образцы и методы исследования как центры захвата и безызлучательной рекомбинации Лазерные гетероструктуры выращивались на поднеравновесных носителей. При температурах, близких к ложках n+-GaAs(100). Активная область, предстакомнатной, тепловая эмиссия носителей из точек и их вляющая собой массив вертикально связанных кванперезахват дефектами должны приводить к уменьшению товых точек (BCKT), была помещена в середиквантовой эффективности излучательной рекомбинации.

ну слоя p0-GaAs толщиной 0.12 мкм, ограниченного Дальнейшая оптимизация активной области лазеров на квантовых точках связана с исследованием параметров с обеих сторон короткопериодными сверхрешетками квантовых состояний таких структур, наличием дефектов AlAs (20 )/GaAs (20 ) 15. Массив ВСКТ был сфори примесей с глубокими уровнями, эффекта взаимодей- мирован в результате шестикратного осаждения слоев ствия заряженных дефектов с локализованными в кванто- InAs толщиной 5, разделенных прослойкой GaAs толвых точках носителями, а также эффекта туннелирования щиной в 50. Точки имеют квадратное основание со носителей между глубокими и квантовыми состояниями. сторонами, расположенными вдоль направлений [001] Нестационарная спектроскопия глубоких уровней и [010], и образуют примитивную квадратную решет(DLTS) является наиболее эффективным методом для ку в горизонтальной плоскости. Лазерные структуры спектроскопии дефектов и примесей с глубокими со- выращивались в стандартной геометрии (с раздельным 7 1250 М.М. Соболев, А.Р. Ковш, В.М. Устинов, А.Ю. Егоров, А.Е. Жуков, М.В. Максимов, Н.Н. Леденцов ограничением электронной и световой волны). Геометрия лазерной структуры аналогична описанной в [2].

При комнатной температуре в спектрах фотолюминесценции такой структуры наблюдается интенсивная линия h = 1.1эВ [2], обусловленная основным состоянием электронов и дырок в туннельно-связанных точках. Исследования квантовых состояний точек, глубоких уровней дефектов и примесей, а также профиля распределения носителей в лазерных гетероструктурах производились методами DLTS и C-V с помощью спектрометра DL4600 фирмы BIO-RAD, работающего в режиме двухстробного интегрирования. Для измерения емкости использовался мост Boonton-72B, работающий на частоте 1 МГц. Чувствительность этой установки составляет C/C0 10-4.

3. Результаты Профили концентрации носителей определяли из C-V -характеристик, измеренных при различных температурах в интервале 80 300 K. На рис. 1 показаны про- Рис. 2. DLTS-спектры лазерной структуры с 6 рядами квантовых точек InAs/GaAs при температурах изохронного отжига фили распределения эффективной концентрации дырок Ta, K: 1 — 250, 2 — 245, 3 — 240. Vb = 1.06 В, Vf = 1.71 В.

p(x), определенные из C-V-характеристик. При V = слой объемного заряда (СОЗ) занимает практически весь волновод, включая активную область, состоящую из 6 рядов массивов квантовых точек и смачивающего рис. 1 обозначен буквами QD), связанный с аккумуляцислоя (СС). При увеличении напряжения обратного ей носителей. Положение максимума этого пика зависит смещения СОЗ расширяется в сторону p+-эмиттера.

от температуры, при которой проводились измерения Для определения профиля эффективной концентрации C-V -характеристик. Так как интересующие нас области носителей в активной области и волноводе измерения проявлялись лишь при приложении напряжения прямого C-V -характеристик проводили, прикладывая к структуре смещения, это потребовало определенной модификации напряжение прямого смещения Vf. Были специально метода DLTS для определения спектров, связанных с отобраны образцы с большим напряжением отсечки на эмиссией носителей КТ и глубоких ловушек. В соотзависимости 1/C2 = f (V ), что позволяло определить ветствии с результатами C-V-измерений импульс запрофили p(x) в этих областях. Из рис. 1 следует, полнения подавался в прямом направлении и изменялся что в центре волновода GaAs, где должны находиться в пределах Vf = (1.7-0.95) В. Длительность этого активные области с КТ и СС, наблюдается пик (на импульса была 5 мкс. В прямом направлении подавлся и импульс напряжения, при котором регистрировался DLTS-сигнал. Это напряжение варьировалось в пределах Vb = (0.9 1.6) В и было всегда меньше, чем Vf.

Прямой ток специально не измерялся. При проведении DLTS-измерений в диапазоне температур (80 260) K полная емкость образца легко компенсировалась. Спектр DLTS не зависел также от переключения диапазона измерений емкостного моста и подключения сопротивления последовательно с образцом. Это косвенным образом свидетельствует о том, что величина прямого тока была незначительной и не вызывала сильного изменения емкости образца, а также выполнялось условие RC > 1.

Рис. 1. Профиль распределения эффективной концентрации Кроме того, если это не оговаривается специально, все носителей заряда p для лазерной структуры с 6 рядами измерения проводились в темноте. Перед каждым измеквантовых точек InAs/GaAs в зависимости от толщины слоя рением образец изохронно отжигался в течение 1 мин объемного заряда x y при T, K: 1 — 86, 2 — 122, 3 — 170, при фиксированной температуре. Температура отжига 4 — 200. Вертикальными штрихами внизу показаны границы варьировалась в пределах (240 300) K. Затем образец волновода и эмиттеров; буквами QD отмечено положение охлаждался до T = 80 K либо с приложенным прямым квантовых точек.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Нестационарная спектроскопия глубоких уровней в лазерных структурах InAs/GaAs... Таблица 1. стрируют уровень H1 (Ta > 240 K) при варьировании Vb (рис. 3, a) и H1 при варьировании Vf (рис. 4, b). Пик HНаименование Энергия Сечение Идентификация уровней Ea, мэВ захвата, см2 уровней в спектрах с ростом Vb смещался в низкотемпературную область, при этом амплитуда и форма пика практически Ta > Tac не менялись. Он появлялся при Vb = 1.0В и исчезал E1 111 1.7 · 10-при Vb = 1.3 В. Из результатов, представленных в E2 235 1.3 · 10-14 EL14 [10,11] табл. 2, видно, что при Vb = 1.07 В энергия термической E3 426 4.2 · 10-16 NiGa [12] активации была равна 194 мэВ, с ростом Vb происходит H1 194 2.5 · 10-резкое падение величины Ea до 132 мэВ, а затем медленH2 390 1.8 · 10-13 HL5 [8] ное увеличение. Рост Vb в нашем случае соответствует H3 420 1.6 · 10-14 HL4 [8] уменьшению электрического поля. При варьировании Vf пик появлялся при Vf > 1.4 В и насыщался при Ta < Tac Vf = 1.7 В. Эти изменения соответствовали локализации E1 110 5.2 · 10-пика и профиля распределения носителей тока p(x) H1 194 2.5 · 10-(рис. 1). Пики спектра DLTS H2 и H3 при увеличении H2 420 1.6 · 10-14 HL4 [8] Vb исчезали и появлялся широкий пик E3, что также Примечание. Параметры состояний H1 и H1 определены при свидетельствует об их пространственной локализации.

Vb = 1.07 В, Vf = 1.60 В.

Амплитуда пиков H2, H3 не зависела от величины имТаблица 2. Зависимости энергии термической активации Ea уровней H1 и H1 от величин Vb и Vf Ta < 245 K, Vb = 0.9В Ta > 245 K, Vf = 1.64 В Vf, В Ea, мэВ Vb, В Ea, мэВ 1.2 89 1.07 1.4 103 1.15 1.5 132 1.20 1.6 194 1.25 1.30 напряжением смещения Vf, либо с Vb = 0. Далее начинался процесс DLTS-измерения при нагреве образца до 300 K. Было установлено, что спектр DLTS зависит от температуры изохронного отжига Ta (рис. 2). Критическая температура перехода от одного вида спектра к другому была равна Tac = 245 K (рис. 2, кривая 2).

При Ta > 245 K наблюдался спектр DLTS, показанный на рис. 2 линией 1, при Ta <245 K — линией 3 на рис. 2.

Кроме того спектры DLTS, измеренные при Ta < 245 K, зависели от того, охлаждается образец при Vb = или при Vf > 0 и от величины Ta. Из зависимостей Аррениуса для наблюдаемых в спектрах уровней были определены энергии термической активации Ea и сечения захвата на них носителей n, p (табл. 1). Темп эмиссии носителей при этом определялся соотношением 3/en, p = An, pT exp(-Ea/kT ), (1) где A — постоянная, не зависящая от T, k — постоянная Рис. 3. DLTS-спектры лазерной структуры с 6 рядами Больцмана.

квантовых точек InAs/GaAs после изохронного отжига при Для определения пространственной локализации уровTa > 245 K и предварительном охлаждении в отсутствие ней, наблюдаемых в спектрах DLTS в случаях изохронсмещения (Vb = 0), измеренные: a — при Vf = 1.64 В и ного отжига с Ta > 245 K и Ta < 245 K, были проведены напряжении смещения Vb, В: 1 — 1.07, 2 — 1.15, 3 — 1.20, измерения спектров с варьированием Vb и Vf (рис. 3, a, b 4 — 1.25, 5 — 1.30; b —приVb =1.07 В и амплитуде импульса и 4, a, b). Оказалось, что необычные свойства демон- заполнения Vf, В: 1 — 1.40, 2 — 1.59, 3 —1.69.

7 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1252 М.М. Соболев, А.Р. Ковш, В.М. Устинов, А.Ю. Егоров, А.Е. Жуков, М.В. Максимов, Н.Н. Леденцов также подтверждает их пространственную локализацию.

Изменение величины Vb сопровождалось изменением амплитуды пиков уровней H1 и H3. При Vb > 1.3В концентрация этих центров значительно уменьшалась.

Энергии активации уровней E1иE1 были близки друг к другу и составляли Ea = 110 мэВ. DLTS-пик уровня Eв отличие от E1, так же как и пик H1, был широким.

4. Обсуждение результатов Определенные из зависимсти Аррениуса параметры глубоких уровней (табл. 1) и наблюдаемые закономерности в изменении спектров DLTS (рис. 2–4) дают основание идентифицировать пики H2, H3, H3, E2иE3схорошо известными уровнями из более ранних работ [8–12].

Уровень H2 близок по параметрам к уровню HL5, который был впервые обнаружен в GaAs, выращенном методом жидкофазной эпитаксии [8]. Соответствующий центр представляет собой комплекс собственных дефектов, в состав которого входит вакансия мышьяка VAs [9], и образуется он при избытке Ga в растворе–расплаве. В нашем случае появление дефекта, в состав которого входит VAs, может быть обусловлено локальной вариацией стехиометрии в процессе роста гетероэпитаксиального слоя GaAs и образования квантовых точек. Максимальная концентрация центров типа H2 в наших образцах составляла величину, равную Nt = 8.5 · 1014 см-3. Как пик H3, так и H3 были идентифицированы как уровень HL4, который связывается с примесью Cu [8]. Это состояние, как и центр с уровнем H2, было локализовано в окрестностях квантовой точки со стороны p+-эмиттера.

Уровни E2 и E3 также идентифицировались с известными уровнями. Центр с энергией E2 — с уровнем EL14, который впервые наблюдался в работе [10], а Рис. 4. DLTS — спектры лазерной структуры с 6 рядами в [11] его появление связывали с присутствием Ni.

квантовых точек InAs/GaAs после изохронного отжига при Этот дефект был достаточно равномерно распределен Ta < 245 K и при предварительном охлаждении при Vf > 0, в окрестностях квантовой точки. Уровень E3 оказался измеренные: a —при Vf = 1.64 В и напряжении смещения близок по параметрам к уровню, наблюдавшемуся в Vb, В: 1 —1.0, 2 — 1.15, 3 — 1.30; b —при Vb = 0.9В работе [12], и приписывался примеси Ni, замещающей в и амплитуде импульса заполнения Vf, В: 1 —1.6, 2 —1.5, 3 —1.4, 4 —1.2. решетке Ga. Этот дефект был локализован в окрестности квантовой точки со стороны n+-эмиттера. Образование дефектов, связанных с примесями Cu и Ni, обусловлено, по-видимому, наличием остаточного загрязнения в пульса заполнения. При изохронном отжиге с Ta < 245 K источниках эпитаксиального роста.

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.