WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 10 Массивы напряженных квантовых точек InAs в матрице (In,Ga)As, выращенные на подложках InP методом молекулярно-пучковой эпитаксии © В.М. Устинов, А.Е. Жуков, А.Ф. Цацульников, А.Ю. Егоров, А.Р. Ковш, М.В. Максимов, А.А. Суворова, Н.А. Берт, П.С. Копьев Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 11 марта 1997 г. Принята к печати 19 марта 1997 г.) Методом молекулярно-пучковой эпитаксии синтезированы массивы напряженных островков InAs в матрице (In,Ga)As на подложке InP(100) и проведено исследование их структурных и оптических свойств. Согласно данным просвечивающей электронной микроскопии и дифракции быстрых электронов, критическая толщина, отвечающая началу островкового роста, составляет 3 монослоя. Образующиеся островки InAs являются когерентно напряженными, размер основания варьируется от 20 до 90 нм. Формирование островков приводит к появлению в спектрах фотолюминесценции доминирующей длинноволновой линии, сдвигающейся в сторону меньшей энергии с увеличением эффективной толщины InAs. Излучение, обусловленное островками InAs, перекрывает диапазон длин волн 1.652мкм.

Массивы полупроводниковых квантовых точек (КТ) напряжения на процесс формирования трехмерных заперспективны для применений в инжекционных лазерах. родышей. Мы впервые сообщаем о создании методом В частности, было предсказано значительное уменьше- МПЭ и исследовании структурных и оптических свойств ние пророговой плотности тока и снижение ее темпе- массивов квантовых островков InAs, сформированных в ратурной зависимости [1]. Одним из наиболее перспек- матрице (In,Ga)As, согласованной по параметру решетки тивных способов создания массивов КТ является метод, с подложкой InP.

основанный на эффектах самоорганизации, наблюдаемых Исследуемые структуры были выращены методом при осаждении методом молекулярно-пучковой эпитакМПЭ с твердотельным источником As4 в установке сии (МПЭ) сильно напряженного слоя. К настоящему Riber-32P на полуизолирующих подложках InP(100). В времени структурные и оптические свойства массивов середину слоя (In,Ga)As толщиной 0.15 мкм, выращенноКТ (In,Ga)As, помещенных в матрицу (Al,Ga)As [2,3], а го на буферном слое толщиной 0.2 мкм и ограниченного также инжекционных лазеров на их основе достаточно со стороны подложки и поверхности короткопериодными хорошо изучены [4,5]. Применение их в качестве активсверхрешетками InAlAs(2нм)–InGaAs(2нм), помещали ной области инжекционного лазера позволило достичь исследуемый слой (массив островков) InAs. Эффективнепрерывного режима генерации через основное состояное количество осажденного InAs в активной области ние КТ вплоть до комнатной температуры при выходной QInAs варьировали в различных образцах в пределах мощности около 1 Вт и пороговой плотности тока менее 013 монослоев (МС). Температура осаждения соста100 А/см2 [5,6].

вляла 500C, а скорость роста приблизительно 10 нм/мин Большинство лазеров на основе КТ (In,Ga)As изучали для слоев InGa(Al)As и 15 нм/мин при осаждении InAs в в диапазоне 0.91.1 мкм. Проведенные исследования активной области. Рост проводили в условиях обогащепоказали, что длина волны излучения КТ, полученных на ния мышьяком.

подложках GaAs, ограничена в длинноволновом пределе Степень согласования постоянных решетки материзначениями 1.271.3мкм [7,8]. Увеличение диапазона алов матрицы и подложки InP определяли методом излучения, достижимого в структурах с КТ, вплоть до двухкристальной рентгеновской дифракции на тесто2 мкм является актуальной задачей для применений в вых слоях толщиной 1 мкм. Величина рассогласовасистемах волоконной оптической связи и контроля зания составляла менее 10-3, что обеспечивает псевгрязнения окружающей среды.

доморфный рост слоев InGa(Al)As вплоть до толщиКак будет показано в настоящей работе, продвинуться ны 1 мкм [9]. Фотолюминесценцию исследовали при в интересующий диапазон длин волн позволяет исполь10150 K, возбуждали He–Ne-лазером (энергия возбузование массивов квантовых островков InAs, помещенждающего кванта 1.954 эВ) и регистрировали охлажденных в матрицу (In,Ga)As, выращенную на подложке ным InSb-фотодиодом. Мощность возбуждения составляInP(100). Подобные структуры представляют также ла 20 Вт/см2. Исследования по методу просвечивающей интерес с точки зрения фундаментальных исследоваэлектронной микроскопии (ПЭМ) были выполнены на ний спонтанного формирования объектов с пониженной микроскопе Philips EM 420 при ускоряющем напряжении размерностью, дополняя исследования, проводимые в 100 кВ. Образцы для ПЭМ были подготовлены с посистеме материалов (In,Ga)As/(Al,Ga)As. Кроме того, управляемое изменение степени согласования матрицы мощью общепринятого метода механической шлифовки– и подложки позволяет изучить влияние остаточного полировки с последующим распылением ионами Ar+ и Массивы напряженных квантовых точек InAs в матрице (In,Ga)As... Рис. 1. Изображение структуры, изготовленной осаждением 6 монослоев InAs в матрице (In,Ga)As: a —вид в плоскости структуры, b — поперечное сечение. Данные получены методом просвечивающей электронной микроскопии.

исследовались в планарной геометрии и в поперечном зависимости от условий осаждения может варьироваться сечении. в пределах 820 нм [12]. Следует отметить, что размеры Переход от двумерного к трехмерному режиму роста островков, определенные в настоящей работе с помощью InAs определялся по изменению в наблюдаемой кар- дифракционной ПЭМ могут быть несколько завышены тине дифракции быстрых электронов (ДБЭ) на отравследствие распространения полей напряжения в матрижение. Образование трехмерных зародышей приводило цу.

к возникновению штриховой картины дифракции, тогда На рис. 1, b представлено изображение поперечного как в случае атомно-гладкой поверхности наблюдаемая сечения образца (g = 200). Области темного контраста картина состоит из системы полос (”тяжей”), распосоответствуют InAs. Островки InAs, имеющие в сечении ложенных перпендикулярно поверхности подложки. Соприблизительно треугольную форму, лежат на тонком гласно нашим данным, этот переход имеет место при смачивающем слое InAs. При заращивании массива QInAs 3.03.3 монослоя, что хорошо согласуется островков слоем InGaAs планарная поверхность роста с результатами, приведенными в работе [10] для осавосстанавливается, о чем свидетельствует отсутствие изждения InAs в матрице (In,Al)As/InP, а также с нагиба интерфейсов в сверхрешетке InGaAs/InAlAs (верхблюдениями [2,11] для системы In0.5Ga0.5As на GaAs, няя часть рис. 1, b). Типичная высота островков состакоторая характеризуется приблизително такой же вевляет приблизительно 45 нм. В согласии с данными личиной рассогласования между напряженным слоем и ДБЭ островки характеризуются малым отношением выматрицей. Однако следует отметить, что в отличие от соты к основанию (1: 10).

системы материалов In0.5Ga0.5As/GaAs в исследуемом Таким образом, данные просвечивающей электронной случае штриховой контраст картины ДБЭ выражен более микроскопии подтверждают формирование в активной слабо. Как мы полагаем, это свидетельствует о том, что области трехмерных напряженных островков в образцах трехмерные островки InAs, сформированные на поверхс эффективной толщиной осажденного InAs, большей ности InGaAs/InP, характеризуются меньшим отношени3 МС. Подробному исследованию структурных свойств ем высоты к основанию, поскольку штриховой контраст подобных структур методами ПЭМ, в том числе высокообразуется в результате прохождения электронного пучго разрешения, будет посвящена отдельная работа.

ка сквозь микроскопический рельеф на поверхности.

На рис. 2 представлены спектры фотолюминесценНа рис. 1, a приведена ПЭМ микрофотография (в плации (ФЛ) структур с различной эффективной толщиной нарной геометрии) структуры, сформированной в реосажденного InAs, измеренные при 77 K. Излучение из зультате осаждения 6 монослоев InAs. Изображение матрицы объемного (In,Ga)As, полученное для образца получено вдоль направления [001] в рефлексе g = 200.

с QInAs = 0, имеет максимум при энергии 799 мэВ, при На представленном изображении отчетливо наблюдаетширине пика 17 мэВ. В спектрах образцов, содержася плотный массив островков. Характерный контраст щих массив островков (QInAs 3 МС), наблюдается обусловлен когерентным напряжением островков InAs.

интенсивная полоса, сильно сдвинутая в длинноволноСредний диаметр основания островков, согласно данным вую область по отношению к излучению из матрицы ПЭМ (рис. 1, a), составляет приблизительно 50 нм, что заметно превышает соответствующую величину напря- (In,Ga)As. Типичная ширина этой линии составляет женных островков (In,Ga)As в матрице GaAs, которая в 3537 мэВ. Интегральная интенсивность ФЛ остается Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1258 В.М. Устинов, А.Е. Жуков, А.Ф. Цацульников, А.Ю. Егоров, А.Р. Ковш, М.В. Максимов...

осажденного InAs, приводящее к формированию в активной области массива трехмерных островков, приводит к резкому увеличению энергии локализации носителей вследствие увеличения эффективного размера активной области в направлении, перпендикулярном интерфейсу, по сравнению со случаем двумерного распределения того же количества осажденного материала. Этим объясняется длинноволновый сдвиг линии ФЛ по отношению к излучению из квантовой ямы (In,Ga)As/InAs. При увеличении эффективной толщины осажденного арсенида индия, как и в случае островков InAs в матрице GaAs [2,7], имеет место увеличение среднего размера островков, что приводит к дальнейшему сдвигу линии люминесценции в сторону меньших энергий. В то же время псевдоморфный рост напряженных островков может поддерживаться до некоторого критического размера, сверх которого происходит образование дислокаций несоответствия. Дальнейшее увеличение количества осажденного InAs приводит к тому, что все большая доля островков превышает критический размер и не участвует в излучательной рекомбинации из-за больРис. 2. Спектры фотолюминесценции (77 K) гетероструктур шого числа дефектов [7]. В результате наблюдается (In,Ga)As/InAs/(In,Ga)As. Цифры у кривых — количество снижение интегральной интенсивности люминесценции.

осажденного арсенида индия QInAs, измеренного в единицах Таким образом, можно заключить, что существенная монослоев.

доля островков InAs достигает критического размера при эффективной толщине осажденного материала порядка 1113 МС.

приблизительно постоянной вплоть до QInAs = 9 МС, На рис. 4 показаны температурные зависимости сдвига после чего наблюдается резкое падение интенсивности максимума полосы ФЛ. Как видно из этого рисунка, (более чем на 2 порядка в случае 11 МС). Для образца для структур с эффективной толщиной InAs, равной с QInAs = 13 МС не было зарегистрировано какого-либо и 9 МС, в области температур 1080 K наблюдаетсигнала люминесценции при использованной системе ся более быстрое смещение максимума ФЛ в сторону меньших энергий фотонов по сравнению с образцом с детектирования.

Увеличение количества осажденного InAs приводит к закономерному сдвигу максимума ФЛ в длинноволновую строну. Энергетическое положение максимума линии ФЛ при 77 K как функции QInAs приведено на рис. 3. Экспериментальные данные сравниваются с результатами работы [13], в которой с помощью применения специальных технологических приемов формирование острвков при осаждении InAs на поверхности (In,Ga)As было подавлено (квантовая яма (In,Ga)As/InAs/(In,Ga)As).

Отчетливо видно, что, как только имеет место формирование трехмерных островков InAs, энергия пика становится значительно меньше значений, полученных для квантовой ямы. Энергетическая разница достигает 65 мэВ для островков в 9 МС. Полученные данные показывают, что излучение напряженных островков InAs в матрице (In,Ga)As перекрывает при 77 K диапазон длин волн 1.652.0 мкм. Наибольшая длина волны излучения, достигнутая в настоящей работе (77 K, QInAs = 9 МС), составляет 1.944 мкм.

Полученные данные, описывающие зависимость спекРис. 3. Спектральное положение максимума линии фотолютрального положения и интегральной интенсивности лиминесценции (77 K) в зависимости от количества осажденного нии ФЛ в исследованных структурах с массивами островарсенида индия QInAs, измеренного в единицах монослоев (ML) ков InAs от количества осажденного материала, могут для случаев: 1 — двумерного распределения InAs, согласно быть, как нам представляется, удовлетворительно объданным [13]; 2 — островкового распределения InAs, данные яснены в рамках следующей модели. Перераспределение настоящей работы.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Массивы напряженных квантовых точек InAs в матрице (In,Ga)As... нению со случаем двумерного распределения того же количества материала.

В заключение следует отметить, что структуры с напряженными островками InAs в матрице (In,Ga)As/InP позволяют продвинуться в диапазон длин волн до 2 мкм, обладая одновременно потенциальными возможностями нуль-мерных систем.

Работа была выполненна при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 96-0217824) и программы Министерства науки РФ ”Физика твердотельных наноструктур” (проект 2-001).

Список литературы [1] Y. Arakawa, H. Sakaki. Appl. Phys. Lett., 40, 939 (1982).

[2] P.M. Petroff, S.P. DenBaars. Superlat. Microstruct., 15, (1994).

[3] J.M. Moison, F. Houzay, F. Barthe, L. Leprince, E. Andre, O. Vatel. Appl. Phys. Lett., 64, 196 (1994).

Рис. 4. Сдвиг максимума линии фотолюминесценции в [4] S.V. Zaitsev, N.Yu. Gordeev, Yu.M. Sherniakov, V.M. Ustinov, зависимости от температур T в структурах, отличающихся A.E. Zhukov, A.Yu. Egorov, M.V. Maximov, P.S. Kop’ev, количеством осажденного арсенида индия QInAs, МС: 1 —2, Zh.I. Alferov, N.N. Ledentsov, N. Kirstaedter, D. Bimberg.

2 —6, 3 —9.

Proc. 9th Int. Conf. on Superlattices, Microstructures and Microdevices, Jily 14–19, 1996, Liege, Belgium.

[5] V.M. Ustinov, A.Yu. Egorov, A.R. Kovsh, A.E. Zhukov, N.N. Ledentsov, M.V. Maksimov, A.F. Tsatsul’nikov, 2 МС InAs, в котором образования КТ не произошли и N.Yu. Gordeev, S.V. Zaitsev, Yu.M. Shernyakov, N.A. Bert, сдвиг линии ФЛ которого отражает изменение ширины P.S. Kop’ev, Zh.I. Alferov, N.N. Ledentsov, J. Bohrer, запрещенной зоны (In,Ga)As. Подобное значительное D. Bimberg, A.O. Kosogov, P. Werner, U. Gosele (Принято смещение полосы ФЛ также наблюдалось для КТ InAs к печати в J. Cryst. Growth, 175 (1997)).

в матрице GaAs [14] и было приписано разной энергии [6] Ю.М. Шерняков, А.Ю. Егоров, А.Е. Жуков, С.В. Зайцев, локализации для КТ различного размера. Возрастание А.Р. Ковш, И.Л. Крестников, А.В. Лунев, Н.Н. Леденцов, температуры приводит к увеличению вероятности тер- М.В. Максимов, А.В. Сахаров, В.М. Устинов, Чжао Чжэнь, П.С. Копьев, Ж.И. Алферов, Д. Бимберг. Письма ЖЭТФ (в мического выброса неравновесных электронов и дырок печати).

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.