WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 11 Оптические свойства сверхтонких внедрений соединения GaAsN в GaAs, полученных методом молекулярно-пучковой эпитаксии +¶ + + + + © Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев, А.Р. Ковш, И.П. Сошников, А.Ф. Цацульников, † † + H. Kirmse, W. Neumann, J.Y. Chi, J.S. Wang, L. Wei, Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов+ + Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Industrial Technology Research Institute, Hsinchu 310, Taiwan, R.O.C.

† Institute fr Physik, Humboldt Universitt, 10115 Berlin, Germany (Получена 25 февраля 2003 г. Принята к печати 4 марта 2003 г.) Исследованы оптические свойства сверхтонких внедрений GaAsN в матрицу GaAs, полученных методом молекулярно-пучковой эпитаксии, с целью определения методики намеренного формирования областей локализации носителей в слоях GaAsN. В случае осаждения короткопериодной сверхрешетки GaAs/GaAsN, в спектрах фотолюминесценции наблюдается дополнительная линия со стороны больших длин волн. Как следует из сравнения данных оптических исследований и данных просвечивающей электронной микроскопии, линия соответствует излучению из сформировавшихся областей с повышенным содержанием азота (до 8.5%).

Характерный размер этих обогащенных азотом областей больше в верхних слоях сверхрешетки, чем в нижних, и он увеличивается с числом осажденных слоев.

1. Введение ния каналов безызлучательной рекомбинации. Дело в том, что при осаждении соединений InGaAsN методом С 1992 г., когда впервые были получены слои молекулярно-пучковой эпитаксии обычно используют GaAsN [1], данный материал привлекает внимание достаточно низкие температуры роста, что приводит к исследователей, что обусловлено уникально сильным увеличению концентрации примесей в растущих слоях.

уменьшением ширины запрещенной зоны соединения Поэтому оптические свойства структур во многом заGaAsN с увеличением концентрации азота. Благодаря висят от чистоты рабочего объема ростовой камеры и этому свойству структуры на основе InGaAsN позволяисходных материалов. Кроме этого, низкая температура ют получить излучение в инфракрасном диапазоне, пероста приводит к возникновению таких дефектов, как рекрывающем окна прозрачности оптического волокна внедрение атомов галлия в междоузлия, встраивание (1.3, 1.55 мкм), что делает их перспективными в плане атомов галлия в подрешетку элементов V группы и т. д., создания светоизлучающих приборов и приемников для являющихся центрами безызлучательной рекомбинации.

систем оптоволоконных линий связи. В качестве основПоказано, что отжиг структур приводит к повышению ных преимуществ использования соединений InGaAsN, их структурного качества и увеличению интенсивности выращенных на подложках GaAs, по сравнению с расфотолюминесценции [3].

пространенными в настоящее время гетероструктураВ данной работе исследованы возможности намеренми InGaAsP/InP можно перечислить следующие: боного создания центров локализации в структурах на лее высокая температурная стабильность характеристик основе GaAsN с помощью формирования сверхтонких лазеров вследствие увеличения энергии локализации слоев GaAsN в матрице GaAs. Как было показано для носителей в активной области; возможность создания системы InGaAs/GaAs, осаждение сверхтонких слоев поверхностно-излучающих лазеров с монолитными брэгInGaAs в матрицу GaAs приводит к формированию говскими зеркалами AlGaAs/GaAs.

обогащенных индием областей (квантовых точек), что К настоящему времени изучены свойства соединения позволяет значительно сместить линию излучения в GaAsN в случае низких концентраций азота (< 10%) [2].

область меньших энергий фотонов по сравнению с кванПоказано, что доминирующим механизмом излучательтовыми ямами InGaAs [4,5]. В данной работе показано, ной рекомбинации при низких температурах является что такой подход возможен для системы GaAsN. В слурекомбинация экситонов, локализованных на флуктуачае замены твердого раствора GaAsN на сверхрешетку циях ширины запрещенной зоны. Наблюдаемый локаGaAsN/GaAs с тем же средним составом в спектре лизующий потенциал возникает вследствие неоднородизлучения появляется дополнительная линия фотолюности распределения атомов азота в слое, для которых минесценции, максимум которой значительно смещен в значение электроотрицательности сильно отличается от область меньших энергий фотонов. Как следует из сопотакового для мышьяка. С увеличением концентрации ставления данных оптических исследований с результаазота наблюдается значительное снижение интенсивтами просвечивающей электронной микроскопии, линия ности фотолюминесценции (IPL) вследствие образовасоответствует излучению из образовавшихся в тонких ¶ E-mail: kryj@pop.ioffe.rssi.ru слоях GaAsN обогащенных азотом нанокластеров.

6 1364 Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев, А.Р. Ковш, И.П. Сошников, А.Ф. Цацульников, H. Kirmse...

2. Эксперимент В данной работе исследовались слои GaAsN в матрице GaAs, полученные различными методами осаждения. Структуры выращивались методом молекулярнопучковой эпитаксии на подложках n+-GaAs [001] в условиях обогащения As. Для получения активного атомарного азота использовался радиочастотный плазменный источник. На подложки после процедуры отжига осаждался буферный слой GaAs; все структуры завершались покрывающим слоем GaAs толщиной 30 нм.

В качестве базового образца (структура I) в матрицу GaAs был осажден слой GaAsN0.013 толщиной 0.1 мкм.

Структура II была получена 70-кратным повторением циклов осаждения 5 монослоев GaAs с последующей выдержкой поверхности под потоком атомарного азота в течение времени, необходимого для роста 1 монослоя (МС) арсенида галлия. Структура III представляет собой 70-периодную сверхрешетку, состоящую из слоев GaAs/GaAsN0.05 с толщинами 4МС/1МС. Таким образом, толщины азотсодержащих слоев в структурах II и III также составили 0.1 мкм. Температура роста слоев GaAsN составляла 520C, слоев GaAs — 600C.

Структурная характеризация проводилась методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и рентгеновской дифрактометрии. Фотолюминесценция (ФЛ) возбуждалась Ar+-лазером (плотность мощности до W = 5кВт/см2). Спектры возбуждения люминесценРис. 1. Спектры фотолюминесценции структур GaAsN/GaAs ции и спектры пропускания измерялись при возбупри 20 K. I, II, III — номера структур.

ждении галогеновой лампой накаливания. ФЛ детектировалась охлаждаемым Ge-диодом. Исследования при различных температурах проводились с помощью гелиевого криостата замкнутого цикла.

3. Результаты и обсуждение Средний состав по азоту в выращенных структурах определялся по закону Вегарда из данных рентгеновской дифракции, полученных с помощью двухкристального рентгеновского дифрактометра для случая упруго напряженного слоя. Максимальная концентрация азота Рис. 2. Светлопольное ПЭМ-изображение (004) поперечного (1.58%) была получена для структуры III при испольсечения (110) структуры III.

зовании послоевого метода роста. Для структуры I коцентрация азота в слое составила 1.36%. Наименьшее значение концентрации было получено для структуры II, излучения наблюдаются две полосы с максимумами при 1.18%, внедрение азота в которой происходило по схеме 1.157 и 1.36 эВ. При этом интегральная интенсивность замещения.

излучения для образца III значительно уменьшается.

Спектры ФЛ исследованных структур, полученные при температуре T = 20 K, приведенына рис. 1. Как вид- Данные результаты позволяют сделать предположение, что образец III характеризуется максимальной неодноно из рисунка, в спектрах всех исследованных образцов помимо полосы излучения с максимумом около 1.44 эВ, родностью встраивания атомов азота в GaAs.

связанной с рекомбинацией в переходном слое, сфор- В результате проведенных исследований методом мированном при включении источника азота при росте ПЭМ поперечных сечений образцов было обнаружено, GaAs, наблюдаются линии излучения, обусловленные что сверхрешетка GaAsN/GaAs формируется только при рекомбинацией в области GaAsN. Для структур I и II использовании послойного метода осаждения (структуположение этих линий практически совпадает (1.218 и ра III). Данные ПЭМ для этой структуры представлены 1.208 эВ), а в спектре структуры III вместо одной линии на рис. 2. В то же время в структуре II наблюдается Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Оптические свойства сверхузких внедрений соединения GaAsN в GaAs, полученных методом... формирование азотсодержащего слоя без выраженных особенностей, аналогично структуре I. Количественная обработка изображения поперечного сечения структуры III, полученного с помощью электронной микроскопии высокого разрешения, показывает, что распределение атомов азота в исследованном образце крайне неоднородно. В каждом слое GaAsN наблюдается формирование областей, сильно обогащенных азотом (до 8.5%).

Характерные размеры соответствующих областей составляют 5–10 нм в латеральном направлении.

Из сопоставления результатов ПЭМ с данными оптических исследований можно сделать вывод, что длинноволновая линия ФЛ обусловлена рекомбинацией в областях сверхрешетки GaAsN/GaAs с высоким содержанием азота, в то время как коротковолновая линия обусловлена рекомбинацией в областях сверхрешетки с низким содержанием азота.

Для изучения влияния способов осаждения слоя GaAsN на оптические свойства и более детального изучения процессов рекомбинации были проведены исследования зависимости фотолюминесценции от температуры. На рис. 3 показаны спектры ФЛ образцов I и II при различных температурах. С увеличением температуры наблюдается типичное для данной системы материалов поведение пика фотолюминесценции [6].

При низких температурах излучательные процессы в слое GaAsN определяются рекомбинацией экситонов в образовавшихся центрах локализации носителей. С увеличением температуры становится возможным термический выброс носителей в неглубокие центры (диапазон температур 80–140 K), что объясняет коротковолновое смещение пика. Дальнейшее увеличение температуры приводит к длинноволновому смещению пика, связанному с уменьшением ширины запрещенной зоны материала.

Для определения края поглощения в слоях были сняты спектры пропускания, из которых рассчитаны спектры поглощения. При расчетах отражением от Рис. 4. Зависимости энергии максимумов фотолюминесценm Рис. 3. Температурные зависимости спектров фотолюминес- ции EPL (1, 2) и энергии края поглощения E (1, 2 ) струкценции для структур I (a) и II (b).

тур I (1, 1 ) и II (2, 2 ) от температуры.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1366 Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев, А.Р. Ковш, И.П. Сошников, А.Ф. Цацульников, H. Kirmse...

гия расщепления 40 мэВ) в GaAsN вследствие напряжений [8]. С увеличением температуры интенсивность линий P1 и P2 падает, а в спектре появляется дополнительная линия P3, которая становится доминирующей при высоких температурах и больших интенсивностях накачки (длинноволновый пик вблизи 1 эВ соответствует излучению из подложки GaAs, связанному с дефектами).

Полученные температурные зависимости можно объяснить исходя из результатов ПЭМ, свидетельствующих о том, что распределение азота в сформировавшихся сверхтонких слоях сильно неоднородно. Данный факт с учетом того, что коэффициент прогиба зависимости ширины запрещенной зоны от содержания азота для соединений GaAsN составляет 0.18 эВ/%, означает также сильную вариацию ширины запрещенной зоны при незначительных вариациях среднего количества азота.

В этом случае энергетический спектр структуры будет представлять собой квазинепрерывный набор состояний, распределенных по некоторому закону. Из данных ПЭМ следует, что плотность областей с повышенным содержанием азота в образце III велика. Поэтому возможен переход носителей между локализованными состояниями, соответствующими различным островкам.

Результаты оптических исследований свидетельствуют о том, что в энергетическом спектре состояний носителей, локализованных в слое GaAsN, наблюдаются особенности при энергиях, соответствующих энергиям оптических переходов P1 и P2. С увеличением температуры Рис. 5. Температурные зависимости спектров фотолюминес- становится возможным заселение менее локализованных ценции структуры III при интенсивностях накачки 500 Вт/см2 состояний вследствие термического выброса носителей, (сплошные линии) и 5 кВт/см2 (штриховые). На вставке — что проявляется в виде возникновения пика P3. При спектры ФЛ при температуре 80 K и интенсивности возбуждеэтом термический выброс носителей из состояний, обуния W = 5 (1), 50 (2), 500 Вт/см2 (3).

словливающих линию ФЛ P2, приводит к „гашению“ этой полосы излучения. Спектры, полученные при малой плотности накачки при 80 K (рис. 5, вставка) свидетельствуют о значительном уширении спектра излучения, образца пренебрегли. Полученные энергии края почто согласуется с выводом о формировании широкого глощения (E) (рис. 4) в структурах I и II хорошо энергетического спектра состояний.

согласуются с приведенными в литературе значениями ширины запрещенной зоны слоев GaAsN [7]. При этом необходимо отметить следующий факт. Для структуры II наблюдается более значительный сдвиг между энергией m максимума линии излучения (EPL) и краем полосы поглощения, несмотря на то что концентрация азота в этой структуре меньше по сравнению с образцом I.

Кроме того, наблюдается увеличение температуры, при которой коротковолновый пик становится доминирующим. Эти факты позволяют сделать вывод о более эффективном формировании центров локализации, вызванных неоднородностью встраивания атомов азота в GaAs, в структуре II — в случае применения методики нитридизации для создания слоев GaAsN.

Для структуры III наблюдаются отличия температурного поведения ФЛ по сравнению с образцами I и II (рис. 5). Как было отмечено выше, при низких температурах в спектре ФЛ структуры III наблюдаются два пика Рис. 6. Спектр ФЛ (1) и спектр возбуждения ФЛ (2) для (P1 и P2). Наблюдаемое плечо пика P1 объясняется структуры III при 7 K. Edet — энергия регистрации спектра расщеплением уровней легкой и тяжелой дырок (энер- возбуждения.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Оптические свойства сверхузких внедрений соединения GaAsN в GaAs, полученных методом... связано, по-видимому, с влиянием упругих напряжений в структуре, создаваемых островками предыдущих рядов.

Подобное увеличение латеральных размеров наблюдалось для случая квантовых точек InAs в GaAs [9], что приводило к значительному длинноволновому смещению излучения. При максимальной глубине травления в спектре ФЛ наблюдаются лишь пики, связанные с излучением из подложки GaAs.

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.