WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 11 Особенности фотолюминесценции структур InAs/GaAs с квантовыми точками при различной мощности накачки ¶ © В.А. Кульбачинский, В.А. Рогозин, Р.А. Лунин, А.А. Белов, А.Л. Карузский, А.В. Пересторонин, А.В. Здоровейщев Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия (Получена 22 февраля 2005 г. Принята к печати 9 марта 2005 г.) Исследованы спектры фотолюминесценции структур InAs/GaAs с квантовыми точками при различных мощностях накачки и температурах. На начальном участке роста мощности накачки обнаруживается сдвиг одной из линий спектра фотолюминесценции в нелегированном образце. При повышении температуры интенсивность высокоэнергетической части спектра уменьшается, а низкоэнергетическая смещается в область еще более низких энергий. Показано наличие в структурах квантовых точек двух характерных размеров.

1. Введение на изучение спектров фотолюминесценции структур при высоких мощностях накачки, в то время как влияние Структуры, содержащие самоорганизующиеся кван- низкой мощности накачки на форму спектров ФЛ пока товые точки, представляют интерес с точки зрения мало изучено. Также мало исследовано влияние легировозможности создания принципиально новых приборов вания на спектры ФЛ легированных структур.

на основе квантовых точек, например, лазеров или В работе [9], например, показано, что при увеличеэлементов памяти, с параметрами, лучшими, чем у нии мощности накачки с 0.5 до 32 Вт/см2 наблюдается существующих в настоящее время [1,2]. Особое ме- смещение положения пика ФЛ от квантовых точек InAs на величину 18 мэВ в сторону больших энергий, а сто занимает изучение фотолюминесценции (ФЛ) таких структур [3,4], так как ФЛ представляет собой наибо- также наблюдается уширение этого пика. Такое поведение авторы объяснили тем, что при низкой мощности лее простой способ получения информации о наличии накачки только часть квантовых точек оказывается в в образце квантовых точек, оценки их размеров и возбужденных состояниях, причем в первую очередь наблюдения размерного квантования [5–7]. Активное возбуждаются более крупные квантовые точки [10].

изучение систем, содержащих квантовые точки, и шиС увеличением мощности все большее число квантовых рокое распространение эффективных способов полуточек меньшего размера дает свой вклад в спектр ФЛ.

чения квантово-размерных струкур делает актуальной Из работы [10] также следует, что в легированных проблему разработки методов оценки качества таких образцах изначальное положение пика ФЛ должно быть структур путем диагностики их электронных энергеболее высокоэнергетическим, так как у части более тических состояний с помощью низкотемпературной крупных квантовых точек их энергетические уровни люминесценции. Системы коррелированных квантовых уже заполнены, и даже при самых низких мощностях точек представляют также фундаментальный интерес засветки в ФЛ будут принимать участие точки меньших как модельный объект для изучения эффектов многоразмеров.

частичного взаимодействия в сильно коррелированных Дальнейший рост интенсивности засветки (от системах типа Мотта–Хаббарда [8].

до 4500 Вт/см2) практически не влияет на положение Форма спектров ФЛ в основном определяется внупика спектра ФЛ, так как при таких мощностях в ФЛ тренними особенностями изучаемых образцов (энергепринимают участие все точки. Однако это приводит к тической структурой образца, распределением конценпоявлению новых, более высокоэнергетических пиков, трации свободных носителей, возможностью образовасвязанных с возбуждением следующих энергетических ния фононов). Однако такие внешние факторы, как темуровней в квантовых точках [11].

пература, при которой снимаются спектры ФЛ, частота Проведенные в работе [12] измерения спектров и мощность возбуждающего ФЛ излучения, серьезно ФЛ при мощностях оптического возбуждения от влияют на получаемые результаты.

до 1100 Вт/см2 показали, что в области до 100 Вт/смВлияние мощности излучения на спектры ФЛ изучапроисходит лишь увеличение амплитуды спектра, при лось в ряде работ [9–13]. В этих работах квантовые точэтом его форма остается практически неизменной. Дальки имеют небольшой разброс по размерам, в то время нейшее увеличение мощности, как и в работе [11], как в процессе роста самоорганизующихся квантовых приводит к появлению новых линий в спектре.

точек зачастую они образуются разных размеров [14,15].

Изучение спектров ФЛ при очень высоких мощностях Еще одной особенностью известных на данный момент оптического возбуждения (до 20 кВт/см2) было проведеработ является то, что основной акцент в них сделан но в работе [13]. Большое количество экситонов, скон¶ E-mail: kulb@mig.phys.msu.ru центрированных в квантовых точках, и взаимодействие Особенности фотолюминесценции структур InAs/GaAs с квантовыми точками... между ними приводит к тому, что энергия переходов матрицы GaAs и слоя InAs-квантовых точек, сформироиз основных состояний уменьшается, в то время как ванного при осаждении 3.3 монослоя InAs, находящегося пики ФЛ, связанные с переходами из возбужденных вблизи поверхности структуры. Образец 3 выращивался состояний, сдвигаются в более высокоэнергетическую на подложке с углом разориентации 0.14, толщина слоя область. InAs в образце составляла 1.4 монослоя, что недостаточТаким образом, зависимость формы спектров фото- но для образования квантовых точек. Образец легирован люминесценции в структурах с квантовыми точками двумя -слоями Si, отделенными от слоя квантовых от мощности оптического возбуждения разделяется на точек спейсерами из GaAs толщиной 20 нм. Общая четыре участка. При низких мощностях происходит толщина образца составляла 0.8 мкм. Таким образом, сдвиг пиков, связанный с включением в процесс новых фотолюминесценция была исследована в образцах с квантовых точек. Далее идет участок линейного роста легированными квантовыми точками (образец 1), нелеамплитуды без изменения формы спектра. Затем при гированными квантовыми точками (образец 2) и со достаточно высоких мощностях оптического возбужде- смачивающим слоем InAs (образец 3).

ния в спектрах ФЛ начинают появляться новые линии.

Морфология поверхности с квантовыми точками изуИ наконец, при очень высокой мощности возбуждения чалась на атомном силовом микроскопе Accurex TMXнаблюдается смещение линий, связанное с взаимодей2100 в контактном режиме при атмосферном давлении.

ствием между экситонами.

Измерения спектров ФЛ проводились при температуПоявление дополнительных пиков ФЛ в структурах рах жидкого гелия, жидкого азота и комнатной с испольс квантовыми точками может быть связано не только зованием спектрометра МДР-3, фотоэлектронного умнос возбуждением очередных энергетических уровней.

жителя ФЭУ-62, работающего в режиме счета фотонов, Так, например, в работах [14,15] наблюдающиеся два при оптическом возбуждении излучением непрерывного пика ФЛ связаны с тем, что в изучаемых структурах АИГ-лазера с диодной накачкой типа LCM-T-111 (длина образуются квантовые точки двух различных размеров.

волны 532 нм, мощность излучения 20 мВт, расходиВ работе [15] также рассматривается температурная мость лазерного пучка = 1.4мрад). Для фокусировки зависимость спектров ФЛ таких структур. При низкой лазерного пучка использовалась сферическая линза с температуре нерезонансное фотовозбуждение заселяет фокусным расстоянием f = 33.5 см. Диаметр светового все квантовые точки равномерно. С повышением темпятна d в фокальной плоскости линзы определялся пературы растет вероятность туннелирования носителей по формуле d = f [16, с. 525] и составлял 0.47 мм.

между квантовыми точками, в результате чего преимуС учетом отражения от стекол оптического криостата, щественно заселяются все более глубокие квантовые выполненных из плавленого кварца, определяется мощточки, в которых и будет происходить излучательная ность оптического излучения. При измерении спектров рекомбинация. Таким образом, с ростом температуры в области температур 4.2 K мощность оптического линия ФЛ будет смещаться в длинноволновую сторону возбуждения изменялась в диапазоне от 10 мВт/смв большей степени, чем это можно было бы объяснить до 9 Вт/см2.

уменьшением ширины запрещенной зоны.

В данной работе проведены исследования спектров фотолюминесценции как для легированных, так и для 3. Результаты измерений нелегированных образцов, содержащих квантовые точки и их обсуждение двух различных размеров, полученные при относительно невысоких (в диапазоне от 10 мВт/см2 до 9 Вт/см2) На рис. 1 приведено АСМ изображение легированного мощностях оптического возбуждения в интервале темслоя квантовых точек после стравливания покровного ператур от +4.2K до комнатной.

слоя толщиной 15 нм. Для стравливания использовался избирательный травитель [17]. Несмотря на возможное подтравливание кластеров, по такому изображению 2. Образцы и методика измерений можно судить о размерах и поверхностной плотности Исследованные структуры были выращены при ат- квантовых точек. Видно наличие двух типов квантовых точек. Характерные размеры более крупных, имеющих мосферном давлении МОС-гидридной эпитаксией при температуре 630C. Образец 1 представляет собой рав- поверхностную плотность 3 · 109 см-2, среднюю выномерно легированную кремнием матрицу GaAs толщи- соту 5 нм и латеральный размер 40 нм, близки к ной 1.3 мкм, выращенную на полуизолирующей (001) данным, полученным на слоях квантовых точек без их GaAs-подложке, в середину которой встроен слой заращивания. Мелкие квантовые точки, концентрация квантовых точек InAs, сформированный осаждени- которых такого же порядка, менее однородны по разем 4.5 монослоя InAs, окруженный с обеих сторон мерам, возможно, из-за более сильного влияния поднелегированным спейсером из GaAs толщиной 15 нм. травливания. Их средний латеральный размер 30 нм Образец 2 был выращен на вицинальной полуизолиру- и высота 2 нм. Заметим, что на поверхностных слоях ющей (001) GaAs-подложке, разориентированной на 2 квантовых точек, полученных без заращивания, подобв направлении [110]. Он состоял из нелегированной ные квантовые точки на наблюдаются. В связи с этим Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1356 В.А. Кульбачинский, В.А. Рогозин, Р.А. Лунин, А.А. Белов, А.Л. Карузский...

спектры фотолюминесценции образца 2, снятые при температуре 4.2 K при различных мощностях накачки.

Как можно видеть из рис. 4, представляющего собой зависимости положения пиков спектров ФЛ, связанных с излучательными переходами в InAs-квантовых точках, Рис. 1. a — АСМ-изображение поверхности образца с квантовыми точками, выявленными с помощью избирательного химического стравливания покровного слоя, b — гистограмма распределения поверхностной плотности квантовых точек по высоте для данной поверхности.

можно предположить, что они либо исчезают на своРис. 2. a — спектры ФЛ образцов 1 (сплошная линия), бодной поверхности в результате коалесценции, либо 2 (точки) и 3 (пунктир) при температуре T = 4.2K; b —для образуются уже после нанесения покровного слоя в наглядности приведены спектры в логарифмическом масштабе.

результате реконструкции смачивающего слоя. Последнюю может вызывать повышение упругих напряжений в относительно толстом смачивающем слое, вырастающем на свободной поверхности. Простой расчет показывает, что для образования квантовых точек указанных выше размеров и плотности достаточно изменения толщины смачивающего слоя на один монослой.

На рис. 2, a представлены спектры фотолюминесценции трех образцов при температуре T = 4.2K. Для большей наглядности на рис. 2, b спектры представлены в логарифмическом масштабе. Полученные спектры ФЛ можно условно разделить на низкоэнергетическую и высокоэнергетическую части, разделение происходит в области примерно 1.42 эВ. В спектрах образца 3 пики в низкоэнергетической области могут быть представлены суммой двух пиков, которые, скорее всего, соРис. 3. Спектры ФЛ образца 2 при различных мощностях наответствуют двум типам квантовых точек с разными качки P (Вт/см2) возбуждающего излучения при температуре размерами. На рис. 3 в качестве примера приведены T = 4.2 K. Шум на хвостах кривых усреднен.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Особенности фотолюминесценции структур InAs/GaAs с квантовыми точками... Рассмотрим высокоэнергетическую область спектров.

Как видно из рис. 2, эта область состоит из трех пиков. Самый высокоэнергетический пик находится в области E 1.51-1.52 эВ и соответствует переходам в матрице GaAs. Центральный пик большой амплитуды, вероятно, является переходом в смачивающем слое InAs (см., например, [18]), а пик, отстоящий от него на 0.35 эВ в сторону меньших энергий, можно приписать излучательным переходам в смачивающем слое, сопровождаемым испусканием продольных оптических фононов в матрице GaAs [19]. Различия в положении пиков от смачивающего слоя в различных образцах связаны с различиями в толщине этого слоя. Так, при номинальной толщине слоя InAs 1.4 монослоя, весь выРис. 4. Зависимость энергетического положения E двух пиков саженный InAs составляет смачивающий слой. При увенизкочастотной части спектров ФЛ от мощности накачки P личении количества InAs до 3.3 монослоя, он становится возбуждающего излучения для образцов 1 (треугольники) тоньше, в связи с тем что часть InAs перераспределяется и 2 (круги).

в островки квантовых точек. Дальнейшее увеличение количества InAs приводит к дальнейшему истончению смачивающего слоя.

Большой размер квантовых точек в образце 2 может быть связан с разориентацией подложки, приводящей к тому, что InAs становится энергетически более выгодно скапливаться на границах террас, образовывая крупные квантовые точки [15], чем собираться в множество мелких островков, равномерно распределенных по всей поверхности.

На рис. 5 представлены спектры фотолюминесценции образца 2, полученные при различных температурах.

При переходе от T = 4.2K к T = 77 K в спектре значительно ослабляется высокочастотная часть, что характерно для объемного GaAs, а низкочастотные пики от квантовых точек сдвигаются в область еще более низких энергий. Это поведение может быть объяснено увеличением подвижности носителей тока в структуРис. 5. Спектры ФЛ образца 2, полученные при температурах ре, что приводит к попаданию носителей в области T = 4.2K (сплошная линия) и T = 77 K (пунктирная линия).

с наиболее глубокими энергетическими уровнями, в которых и происходит излучательная рекомбинация.

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.